Нанотехнологии в науке и технике

курсовая работа

1.1 Основные положения квантовой теории

Мы будем рассматривать устройство окружающего нас мира с точки зрения физики - на микроскопическом и даже наноскопическом уровне. Законы этого мира существенно и принципиально отличаются от законов привычного нам макроскопического мира, в котором все доступно нашим органам чувств. В макроскопическом мире механика Ньютона является универсальным законом движения материальных точек, из которых можно построить все многообразие субъектов окружающего нас мира. Классическая материальная точка - это маленький, локализованный в ограниченной области пространства субъект материи, движущийся по законам ньютоновской механики. Его движение в пространстве является непрерывным на всех уровнях увеличения, то есть является континуумом.

Понятие континуума легко представить, если обратиться к последовательности - числовому ряду: 1, 2, 3... Этот ряд по большему счету и представляет собой континуум - бесконечно непрерывный ряд чисел, не прерывающийся при любом его углублении до сколь угодно малых величин и различий. Точно также траектория любого тела в макромеханике есть континуум, абсолютно непрерывная линия, соответствующая движению материальной точки - пространство нигде не прерывается и не квантуется. Точно таким же континуумом является время, оно непрерывно.

Пределом делимости материи, субъектом, сохраняющим все ее свойства, является атомом. Идея не нова 25 веков назад ее высказали Демокрит и Левкипп (опираясь при этом на идеи Фалеса Милетского и Анаксимена). Они изобрели первую дискретность - отдельные атомы в пустом пространстве. А эти частицы, как принято считать сейчас, являются квантами, отдельными строго определенными порциями энергии, поскольку А. Эйнштейн в 1905г. Установил идентичность массы и энергии. Атомы состоят из элементарных частиц, которых к настоящему времени известно около 3000, что вызывает у физиков некоторую растерянность, поскольку число элементарных частиц превышает число элементов таблицы Д.И. Менделеева (менее полутора сотен).

В микромире наблюдаемые физиками факты не соответствуют и не совместимы с классическим идеалом - непрерывным описанием в пространстве и времени. В физике микромира существуют пробелы в непрерывном описании любого процесса, в пространственно - временном континууме. Согласно идеям Анаксимена при разрежении (при удалении атомов на большое расстояние друг от друга) должны измениться свойства материи. Но это сложно себе представить, если считать, что материи сама по себе представляет континуум - что от чего должно удаляться? Анаксимен также впервые сформулировал идеи, что вещество (материя) может находиться в одном из четырех состояний (твердом, жидком, газообразным и огненном), и что изменение состояния не предполагает изменения вещества, а лишь инициируется геометрически как бы распространением одного и того же количества на больший объем (разряжение) или при обратном переходе (сжатие). Как не удивительно, но и мы полагаем, что вещество может находиться в одном из четырех состояний: твердом, жидком, газообразном и плазменном.

Поскольку микроэлектроника в качестве основного рабочего инструмента использует потоки заряженных частиц и кванты электромагнитного поля, к которым не применимы подходы классической физики, возникает необходимость изучения некоторых основ квантовой механики. Квантовая механика - это физическая теория, описывающая явления атомного масштаба - движение элементарных частиц и состоящих из них систем. Обычно под квантовой механикой понимают теорию движения микрочастиц со скоростями намного меньшими скорости света (нерелятивистская квантовая механика). Релятивистские процессы рассматривает квантовая теория поля.

Процессы, описываемые квантовой механикой относятся к явлениям, полностью лежащим за пределами непосредственного чувственного восприятия человеческого организма, и абсолютно лишены наглядности, присущей обычной классической физике.

Ситуация в квантовой механике выглядит примерно следующим образом. Наблюдаемые факты (о частицах, свете, различных видах излучения и их взаимодействии) кажутся несовместимыми с классическим идеалом - непрерывным описанием в пространстве и времени. Процессы, субъекты и объекты квантовой механики квантованы и имеют дискретный характер, а их описание носит недетерминированные, жестко и однозначно определенный характер, а подчиняется законам статистической физики, носит вероятностный (стохастический) характер.

Обычно при рассмотрении идей вероятности в связи с квантовой механикой обращают внимание на то, как вероятность содействует пониманию, трактовке квантовых процессов. В этих случаях утверждается, что при описании элементарн6ых квантовых процессов отказалась от определяющей роли представлений о траектории движения квантовых объектов, что теория описывает лишь возможности повеления микрообъектов и, соответственно, элементарные квантовые процессы описываются лишь вероятностным, принципиально неоднозначным образом. Практически не обращается внимания на обратные связи - как воздействует на понимание, трактовку самой вероятности. Однако при таком подходе к анализу вероятности ее новые черты не раскрываются.

Особенности вероятностных представлений в квантовой теории связаны с изменениями в постановке основной задачи исследований: Если в статистической физике исследовались системы, образованные из огромного числа частиц, то в квантовой теории вероятностные методы используются прежде всего для познания свойств и закономерностей индивидуальных, отдельных частиц - микрообъектов.

Переход от непосредственного анализа массовых явлений к исследованиям отдельных, индивидуальных частиц, свидетельствует об исключительной гибкости и плодородности вероятностных методов. Этот переход стал возможен на основе существенных изменений в способах задания (выражения, характеристики) вероятностных представлений. В классической физике свойства и закономерности физических систем выражались непосредственно языке вероятностных распределений. В квантовой физике состояния микрочастиц выражаются посредством особого рода характеристик, прежде всего - волновых функций.

Волновые функции носят абстрактный характер. Иногда считают, что они вообще не имеют непосредственного физического смысла. Исторически волновые функции были введены в квантовую теорию чисто формальным образом и утвердились в физике лишь тогда, когда удалось их связать с вероятностными распределениями: квадрат модуля волновой функции в некотором представлении (т.е. заданной на языке конкретной физической величины) определяет собой вероятность значения соответствующей физической величины. Установление этой связи и позволило наполнить глубоким реальным смыслом весь математический аппарат квантовой механики, что было сделано еще до разработки его основ.

Однако надо признать, что наше понимание мира не совершенно. С точки зрения современных знаний несовершенство классической и квантовой механики заключается в том, что они инвариантны по отношению ко времени. Это означает, что их уравнения обратимы во времени. Это связано с тем, что они рассматривают закрытые системы, находящиеся в состоянии равновесия или стремящиеся к нему и не обменивающиеся с окружающей средой ни веществом, ни энергией, ни информацией. В природе таких систем практически нет. Мир, окружающий нас, в котором мы живем, представляет собой конгломерат открытых диссипативных систем, непрерывно обменивающихся энергией, веществом и информацией и иногда исключительно далеко находящихся от равновесного состояния. Процессы в таких системах являются по большей части необратимыми, эти системы эволюционируют по определенным законам, и в них присутствуют так называемая стрела времени. Это означает, что они не инвариантны относительно времени.

Изучением таких эволюционирующих систем занимается нелинейная динамика. Большинство процессов в эволюционирующих системах необратимо. Самые важные выводы заключаются в том, что начинается там, где заканчиваются классическая механика. Это не означает, что классическая и квантовая механика неверный - они скорее соответствуют идеализациям, выходящих за рамки концептуальных возможностей наблюдения. Траектории, или волновые функции, обладают физическим смыслом только в том случае, если они соответствуют наблюдаемым, а такая возможность исчезает, когда необратимость становится частью физической картины.

В предисловии к изданию 1959 г. Своей книги «Логика научного открытия» Карл Поппер писал: «Существует по крайней мере, одна философская проблема, в которой заинтересовано все мыслящее человечество. Это проблема космологии, проблема понимания мира, включая и нас самих, и нашего знания как части мира».

Недавние успехи физики и химии внесли свой вклад в решение проблемы, столь изящно сформулированной К. Поппером. Как все значительные научные достижения, прогресс физики и химии не лишен элемента неожиданности. Мы находимся в преддверии подъема на новую, более высокую степень познания. Этим подъемом мы в первую очередь обязаны главным образом изучению элементарных частиц и решению космологических проблем. Неожиданно выясняется, что понятие необратимости на промежуточном, макроскопическом, уровне приводит к пересмотру основ физики и химии - к пересмотру классической и квантовой механики. Необратимость привносит неожиданные свойства, которые при правильном понимании дают ключ к переходу существующего (бытия) к возникающему (становлению) /10/.

Делись добром ;)