Микромир. Зачем мы его изучаем?

Основные данные о работе

Содержание

Микромир. Зачем мы его изучаем?................................................................3

Приложение………………………………………………………………….10

Основная часть

Глава основной части

МИКРОМИР- это мир иного  масштаба, о существовании которого большинство людей даже не подозревает.

Параллельно нам существует совершенно невиданный в буквальном смысле этого слова мир - мир бактерий, вирусов, грибов и червей. Их изучению, а также ознакомлению с работами в области химии, физики, медицины и диетологии, позволяющие более глубоко понять принципы работы нашего тела, посвящена эта тема. 
 
Путь в микромир – путь к себе. Встречаясь лицом к лицу с обитателями микромира, мы вдруг понимаем, что их поведение может быть столь же полно смысла, как поведение других, гораздо более крупных животных. Эти два мира - наш и их - находятся в удивительном взаимодействии. Ученые утверждают, что если бы мы и другие позвоночные внезапно исчезли с лица Земли, весь остальной мир легко бы пережил этот факт и прекрасно обошёлся бы без нас. Но если бы исчезли они – представители микромира - экосистема Земли погибла бы. Действительно, ведь самые первые живые существа, населившие планету Земля – микробы. Понять их жизнь – значит уловить логику эволюции и открыть путь к пониманию самих себя.  
 
"Нет таких отдаленных явлений, познания которых нельзя было бы достичь, и нет таких таинственных явлений, которые нельзя было бы понять".

Приставка «микро» означает отношение к очень малым размерам. Таким образом, можно сказать, что микромир – это что-то небольшое. В философии в качестве микромира изучается человек, а в физике, концепции современного естествознания в качестве микромира изучаются молекулы.

Микромир имеет  свои особенности, которые можно выразить так:

1) единицы измерения расстояния (м, км и т. д.), используемые человеком, применять просто бессмысленно;

2) единицы измерения веса человека (г, кг, фунты и т. д.) применять также бессмысленно.

Так как была установлена бессмысленность применения единиц измерения расстояния и веса по отношению к объектам микромира, то, естественно, потребовалось изобрести новые единицы измерения. Так, расстояния между ближайшими звездами и планетами измеряются не в километрах, а в световых годах. Световой год – это такое расстояние, которое солнечный свет проходит за один земной год.

Изучение микромира вместе с  изучением мегамира способствовало крушению теории Ньютона. Таким образом, была разрушена механистическая  картина мира.

В 1927 г. Нильс Бор вносит еще один свой вклад в развитие науки: он сформулировал принцип дополнительности. Причиной, послужившей для формулировки данного принципа, стала двойственная природа света (так называемый корпускулярно-волновой дуализм света). Сам же Бор утверждал, что появление данного принципа было связано с изучением микромира из макромира. В качестве обоснования этого он приводил следующее:

1) предпринимались попытки объяснить явления микромира посредством понятий, которые были выработаны при изучении макромира;

2) в сознании человека возникали сложности, связанные с разделением бытия на субъект и объект;

3) при наблюдении и описании явлений микромира мы не можем абстрагироваться от явлений, относящихся к макромиру наблюдателя, и средств наблюдения.

Нильс Бор утверждал, что «принцип дополнительности» подходит как для исследования микромира, так и для исследования в других науках (в частности, в психологии).

В заключение данного вопроса стоит  сказать, что микромир является основой  нашего макромира. Также в науке  можно выделить «микромикромир». Или, по-другому, наномир. Наномир, в отличие от микромира, является носителем света, точнее, всего спектра электромагнитных процессов, фундаментом, поддерживающим структуру элементарных частиц, фундаментальных взаимодействий и большинства явлений, известных современной науке.

Таким образом, предметы, окружающие нас, а также само тело человека не являются единым целым. Все это состоит  из «частей», т. е. молекул. Молекулы, в свою очередь, также делятся на более мелкие составляющие части – атомы. Атомы тоже, в свою очередь, делятся на еще более мелкие составляющие части, которые именуются элементарными частицами.

Всю эту систему можно представить  как дом или здание. Здание не является цельным куском, т. к. оно построено, допустим, с помощью кирпичной кладки, а кирпичная кладка состоит непосредственно из кирпича и раствора цемента. Если же начнет разрушаться кирпич, то, естественно, рухнет и все строение. Так и наша Вселенная – разрушение ее, если это произойдет вообще, также начнется с наномира и микромира.

Микромир – это мир на уровне элементарных частиц. Элементарных частиц очень много: около четырехсот. Большинство  из этих частиц – физическая экзотика. Мы не знаем, зачем их так много. Весь наш привычный мир построен всего  из трех элементарных частиц, которые были открыты первыми – это электрон, протон и нейтрон. К элементарным частицам относят также фотон – частицу электромагнитного поля. По современным представлениям вопрос о размерах частиц ставить некорректно. У них нет четкой границы, они как бы размазаны по пространству, и мы можем знать только вероятность нахождения частицы в той или иной области. Тем не менее не вызывает возражений утверждение, что элементарные частицы очень малы. Только про фотон мы не можем так сказать. Мы можем сказать, что фотон обладает незначительной энергией и малым импульсом, но понятия размера для фотона не существует. У фотона нет такого свойства, поэтому нельзя сказать "маленький фотон" или "большой фотон".

Так как все вещество построено  из протонов, нейтронов и электронов, а электромагнитное поле – из фотонов, можно утверждать, что основное население микромира состоит из этих четырех частиц. Это не означает, что остальные частицы не имеют никакого значения. Каждая из элементарных частиц важна на своем месте. Например, мезоны обеспечивают взаимодействие между протонами и нейтронами и удерживают их вместе в ядре. Всепроникающие и почти неуловимые нейтрино образуются при некоторых реакциях, унося часть энергии. Без них эти реакции были бы невозможны.

Простейший атом вещества – атом водорода – состоит из одного протона и одного электрона. Его диаметр примерно равен 10^-10м = 1 (ангстрем). Ангстрем наиболее удобная единица длины для микромира. Он примерно во столько же раз меньше одного метра, во сколько раз длина нашего класса меньше расстояния от Земли до Солнца. Можно сказать, что атом так же далек от нас, как и Солнце. Только Солнце далеко вдаль, а атом далек в глубину.

Один моль вещества содержит 6.02 ∙ 10²³ молекул. Один моль газа при нормальных условиях занимает объем примерно равный 22.4 литра. В одном кубометре воздуха содержится, следовательно .

Один кубометр воздуха содержит

 молекул. 

Вот мы и пришли к астрономическим числам в микромире.

Конечно, это произошло  из-за того, что объекты микромира очень малы и наши привычные единицы измерения, для них не удобны. Мы сказали уже раньше, что более удобной является единицы длины равная одному ангстрему 1 . Если выделить в пространстве куб с ребром в один ангстрем, то внутри него может находиться только одна молекула. Поскольку молекулы движутся, то большую часть времени этот куб будет пустой и в отдельные моменты в него будет залетать одна молекула: больше молекул в таком кубе не поместятся. Куб размером в один ангстрем очень мал и на этом уровне размеров газ уже не кажется однородным и непрерывным. Отдельные области очень сильно отличаются по содержанию вещества: в большинстве его нет, а в отдельных областях, которым посчастливилось приютить на данное короткое время молекулу, плотность вещества очень высокая. Среднее по времени количество молекул, содержащееся в таком кубе, всегда будет намного меньше единицы.

Планетарная модель атома Резерфорда. Смотри приложение А.

К сожалению, в современном  научном мире считается нормой, скажем так, приведение изучаемого объекта  в соответствие с имеющимися у  исследователя методами и инструментами. Помимо очевидной сомнительности такого подхода с морально-этической  точки зрения, есть ещё и менее очевидная, но не менее важная причина искать альтернативу: погрешность результатов наблюдений, вызванная воздействием наблюдателя тем выше, чем значительнее воздействие наблюдателя на наблюдаемый объект.

Таким образом, неразрушающие  методы исследования не только пропагандируют гуманное отношение к окружающему нас миру, но и позволяют открывать его с новой, возможно, недостаточно хорошо изученной стороны.

Кроме того, изучать микромир очень интересно. И результатами наблюдений хочется делиться.

Современные представления  о макромире и микромире сложились  в ходе становления квантовой  теории и ее осмысления: объекты  исследования доквантовой физики составляют макромир, а объекты, на базе которых  разрабатывается квантовая теория, составляют микромир. Квантовая теория создавалась как теория структуры и свойств атома и процессов атомного масштаба; ныне же она лежит в основе физики элементарных частиц. С точки зрения представлений классической физики, законы квантовой теории оказались весьма странными и парадоксальными, что и определило становление концепции об особом своеобразном физическом мире. Высказывается мнение, что квантовая теория представляет такой “плод человеческой мысли, который более всякого другого научного достижения углубил и расширил наше понимание мира” (Вайскопф В. Физика в двадцатом столетии. М., 1977, с. 34). Важнейшими особенностями квантовых представлений, позволяющими говорить об особом мире физических явлений, являются корпускулярно-волновой дуализм, принципиально вероятностный характер процессов микромира и относительность свойств микрообъекта, фиксируемых на макроуровне.    

Исторически проникновение  науки в область микропроцессов приводило к разработке научных  теорий большой степени общности. Проникновение в структуру вещества привело к разработке классической статистической физики, а анализ глубинных структур наследственности — к созданию генной теории. Познание атома породило квантовую теорию — наиболее фундаментальную в современной физике. “Микрофизика вчера, сегодня и, нужно думать, завтра, — как отметил отечественный физик В. Гинзбург, — была, есть и будет передним краем физики и всего естествознания” (Гинзбург В. О перспективах развития физики и астрофизики в конце 20 в. — Физика 20 в. Развитие и перспективы. М-, 1984, с. 299). Представления о макромире и микромире взаимодополняют и взаимообусловливают друг друга. Знание свойств и законов микромира позволяет раскрыть свойства и структуры объектов макромира, а знание макромира позволяет раскрыть богатство внутренних возможностей объектов микромира.

Нынешние представления  о макромире и микромире сформировались в ходе становления квантовой  теории и ее осмысления: объекты  исследования доквантовой физики составляют макромир, а объекты, на базе которых  разрабатывается квантовая теория, есть микромир. Квантовая теория образовывалась как теория структуры и свойств атома и процессов атомного масштаба; теперь же она лежит в основе физики элементарных частиц. С точки зрения представлений классической физики, законы квантовой теории попались крайне странными и парадоксальными, что и обусловило становление концепции о специализированном своеобразном физическом мире. Высказывается мнение, что квантовая теория представляет такой “плод человеческой мысли, который более всякого другого научного достижения углубил и расширил наше понимание мира” (Вайскопф В.). Главными особенностями квантовых представлений, позволяющими говорить о неповторимом мире физических явлений, возникают  дуализм, принципиально вероятностный характер процессов микромира и относительность свойств микрообъекта, фиксируемых на макроуровне.    

Исторически проникновение  науки в область микропроцессов повергало к разработке научных  теорий крупной степени общности. Проникновение в структуру вещества ввергло к разработке классической статистической физики, а анализ глубинных структур наследственности — к созданию генной теории. Познание атома вызвало квантовую теорию — более фундаментальную в современной физике. “Микрофизика вчера, сегодня и, нужно думать, завтра, — как отметил отечественный физик В. Гинзбург, — была, есть и будет передним краем физики и всего естествознания” (Гинзбург В. О перспективах развития физики и астрофизики в конце 20 в. — Физика 20 в. Развитие и перспективы. М-, 1984, с. 299). Представления о макромире и микромире взаимодополняют и взаимообусловливают друг друга. Знание свойств и законов микромира дозволяет раскрыть свойства и структуры объектов макромира, а знание макромира разрешает раскрыть богатство внутренних возможностей объектов микромира.

Знание свойств и законов микромира даёт разрешение обнаружить свойства и структуры объектов макромира, а знание макромира дозволяет раскрыть богатство внутренних возможностей объектов микромира.    

Развитие физики микромира  реорганизует и главные формы  теоретического выражения знаний. В частности, при переходе от классической физики к физике микромира произошли изменения в нашем понимании элементарного — переход от представлений о бесструктурных атомах (материальных точек) к представлениям об элементарных событиях как о некоторых далее неразложимых (бесструктурных) актах взаимодействия. И теория относительности, и особенно квантовая теория в своих построениях исходят из понятия события, представляющего собою бесструктурный элементарный объект.  Отечественный физик А. Д. Александров, имея в виду структуру теории относительности, говорил: “Простейший элемент мира — это то, что называется событием. Оно представляет собою “точечное” явление вроде мгновенной вспышки точечной лампы или, пользуясь наглядными представлениями о пространстве и времени, явление, протяжением которого в пространстве и во времени можно пренебречь. Итак, событие аналогично точке в геометрии, и, подражая определению точки, данному Эвклидом, можно сказать, что событие — это явление, часть которого есть ничто, оно есть “атомарное” явление. Всякое явление, всякий процесс представляется как некоторая связная совокупность событий. С этой точки зрения весь мир рассматривается как множество событий” (Александров А. Д. О философском содержании теории относительности. — Эйнштейн и философские проблемы физики 20 в. М., 1979, с. 113). Анализу перехода от языка объектов к языку событий в ходе становления современной физики принципиальное значение придавал Б. Рассел (см.: Рассел Б. Человеческое познание. М., 1957. с. 358 и 497). Можно, т. о., утверждать, что мир макрофизики есть мир, построенный из объектов, а мир микрофизики есть мир, образованный из событий.