Наш курс — это рассказ о выдающихся изобретениях и открытиях – сифоне, тепловом двигателе, математическом анализе, квантовой механике. Изобретения и открытия эти будут очень разными. Но все их объединяет то, что они оказали огромное влияние на развитие человечества. С одной стороны, история человечества — это история войн, революций и переворотов. Но с другой стороны, — это совсем другая история, история развития науки, инженерии и вообще интеллектуальное развитие человечества (которое включает в себя, кстати, и культурное развитие – религия, литература, живопись, музыка, театр). И представляется, что эта — «Вторая история» — оказала и большее, и более позитивное влияние на человечество. Вот этой второй истории человечества и посвящен наш курс.
Квантовая механика – «милость Божия»
Loading...
Del curso dictado por National Research Nuclear University MEPhI
История изобретений и открытий — Вторая история человечества
55 calificaciones
National Research Nuclear University MEPhI
55 calificaciones
De la lección
Открытия, которые изменили мир
Наша жизнь состоит из открытий! О самых выдающихся открытиях области инженерии расскажут авторы курса, которые обещают вам, что скучно не будет!
Conoce a los instructores
Ольчак Андрей СтаниславовичДоцент
Кафедра общей физики
Муравьев Сергей ЕвгеньевичДоцент
Кафедра теоретической ядерной физики
День добрый, день добрый, уважаемые коллеги.
Мы продолжаем наш рассказ
о второй истории человечества,
об истории его интеллектуального развития,
об истории изобретении открытий,
которые изменили наш мир,
полностью его перевернули,
сделали жизнь человека длиннее,
комфортнее, лучше и интереснее.
И вот мы сегодня как раз насчет перевернули
хотели бы рассказать об одной из теорий,
появившейся уже в недавнем времени, в 20 веке,
которое, как считается,
действительно, перевернуло наше представление
о том, как устроен мир, —
о квантовой механике.
О теории относительности, Андрей Станиславович,
мы забудем?
Ведь на самом деле 20 век начался с того,
что Эйнштейн не единственный,
это, конечно, нужно упомянуть и Лоренса,
и Пуанкаре
создали теорию относительности.
Да, пожалуй, это еще одна теория,
которая в общественном сознании
считается перевернувшей наше представление
о том, как устроен мир,
перевернувшей в 20 веке.
Хотя, если честно говорить,
то переворачивать-то собственно нечего было.
Не было никаких представлений
до 20 века о том, как устроена материя
на уровне атомов и молекул.
Т. е. как, было понятно, что есть какие-то
атомы и молекулы, но как они устроены внутри,
особых представлений не было.
И тут действительно,
я с Вами полностью согласен, Сергей Евгеньевич.
Вот первая, так сказать, теория,
которая имеет непосредственное отношение
к тому, что там внутри,
это вот то, что называется
специальной теорией относительности.
Да, но все-таки я думаю,
что ведь их было создано две —
теория относительности и квантовая механика.
Вот то, что перевернули наше представление
о природе.
Но квантовая механика в общественном сознании,
мне кажется, была более непонятной,
чем теория относительности. Более.
Значит, с этими теориями получилась интересная вещь.
В специальной теории относительности есть
некие предсказания, касающиеся
космических разных, так сказать, действий, событий.
Например, о том, что если два брата близнеца,
один из которых космонавт
куда-то улетит далеко и очень быстро,
а потом вернется,
то в соответствии с предсказаниями теории Эйнштейна
у него часы должны идти по другому,
и значит, соответственно жизненные циклы
должны по-другому развиваться,
он будет стареть медленнее.
На быстродвижущемся объекте
часы идут медленнее,
и поэтому вернувшийся брат
окажется молодым,
а тот который ждал его на Земле — стариком.
Парадокс.
Это уникальный случай в истории науки,
когда физическая теория вызвала публичную сенсацию.
Множество, десятки профессоров
из университетов европейских и американских
зарабатывали деньги на том,
что они публике за деньги,
приходили люди и платили деньги, как в кинотеатр,
они рассказывали, что там выдумал господин Эйнштейн.
Какую такую белиберду он выдумал,
и что в этой белиберде правда,
а что неправда, якобы.
И была вторая еще потом, так сказать,
вот такая странная теория в 20 веке,
о которой мы сегодня хотим подробнее поговорить, —
квантовая механика, которая, пожалуй, даже
превосходит по степени непонятности
теорию относительности.
Во всяком случае, с квантовой механикой
вышло нечто напоминающее старый анекдот
про дураков о том, как одному дураку как-то говорят:
"Ты такой дурак, что даже на конкурсе дураков
занял бы второе место".
Он говорит: "Почему же второе-то?"
"Да потому что совсем дурак".
Вы про квантовую механику,
Андрей Станиславович?
Да, нечто похожее произошло с квантовой механикой.
Как бы на конкурсе популярности
самых непонятных теорий 20 века
она явно занимает второе место,
потому что уж совсем непонятная.
Вот давайте все-таки вот об этой совсем непонятной
теории немножко поговорим.
Начнем с физиков.
Андрей Станиславович, давайте перечислим
фамилии людей, которые создали, ведь
квантовая механика была создана не одним человеком,
это целая группа авторов.
Тот редкий случай, когда и вправду
нечто было создано коллективным творчеством
большой группы людей.
И тут надо назвать много имен,
наверное, швейцарцы Макс Планк и
упоминавшийся Альберт Эйнштейн,
который, кстати сказать, получил Нобелевскую премию
не за специальную теорию относительности,
а как раз за работу по квантовой механике — фотоэффект.
Это, да, датчанин Нильс Бор,
безусловно, совершенно.
Безусловно, надо упомянуть немца
Вернера фон Хайзенберга,
безусловно, надо упомянуть австрийца Эрвина Шредингера.
И это только самые первые скрипки,
безусловно, герцога Луи де Бройля французского,
безусловно, надо упомянуть.
Вот самые первые, наверное, скрипки,
а были же еще и вторые.
Да, вы знаете еще одна удивительная особенность
у этого коллектива авторов,
за исключением, может быть, Планка, Эйнштейна и Бора —
они были исключительно молодыми людьми.
Ведь в момент формулировки квантовой механики
им было по 20–25 лет, не больше.
И вы знаете, это совершенно не случайно.
Такую теорию могли придумать только молодые люди.
Давайте все-таки попытаемся понять,
в чем ее суть всего за 10 минут.
Хотя, как бы самая непонятная теория на свете,
но всего за 10 минут попытаемся понять.
Попробуйте Вы, Андрей Станиславович,
я не возьму на себя такую смелость.
Я начну тогда, давайте так,
с описания некого эксперимента.
Из оптики.
Те, кто учился в университете
часть такого эксперимента наверняка, так сказать,
видели на лекциях, вам, наверное, показывали,
может быть, делали в лаборатории.
Те, кто не учился, посмотрите на экран,
где мы картинками попытаемся сымитировать
тот эксперимент, о котором я буду рассказывать.
Есть в оптике такое понятие — дифракция.
Суть этого явления состоит в том,
что если пропускать свет через маленькие отверстия,
то на экране, который стоит после отверстия,
и куда этот свет попадает,
вместо маленького пятнышка напротив дырочки,
как должно быть по законам
школьной геометрической оптики,
возникает довольно странная картинка.
Т. е. такие как бы кружочки яркие
чередующиеся с кружочками темными.
Вот вы видите нечто подобное на экране
за нашими спинами.
Если отверстие достаточно маленькое,
это явление дифракции наблюдается.
Если я начну еще сильнее
уменьшать отверстие или отодвигать экран,
поток света, падающего на экран,
будет ослабевать.
Что будет происходить с картиной на экране?
Она будет бледнеть. Это естественно.
Поток света…
Я еще больше ослаблю поток света,
делаю совсем маленькое отверстие
и совсем слабенький источник света,
выворачиваю все рукоятки,
которые как бы управляют потоком света,
на самый минимум.
Что произойдет?
Естественное предположение —
в конце концов, ослабнет, потухнет,
экран станет темным.
Происходит вот что:
картина начинает разбиваться на точки.
И чем слабее поток,
тем меньше точек мы видим на экране,
но и точки яркие.
Получается, что на каком-то уровне
очень низких плотностей энергии,
когда совсем мало энергии
волной переносится через это
ничтожно малое отверстие.
Вдруг эта волна начинает вести себя,
а мы уже привыкли в 19 веке,
что электромагнитное излучение — это волна,
как на поверхности воды.
Вдруг эта волна начинает вести себя
как набор каких-то маленьких частичек,
которые попадают на экран,
если это фотопластинка,
засвечивают на этом экране
одну микроскопическую точечку.
Вот это то, что де Бройль назвал
корпускулярно-волновым дуализмом:
что каждая волна в каких-то условиях,
в каких-то ситуациях превращается в частицу.
И де Бройль же предложил попробовать
и обратную ситуацию проанализировать:
а то, что мы уверены, что является частицами,
не получится ли чего-нибудь подобное,
не проявляет ли себя как волна в других условиях.
Заменим источник света
за дырявым экраном
на источник электронов не очень быстрых.
Про электроны все уверены, что это частицы.
А жизнь показывает — эксперимент —
что ситуация будет меняться
так же, как со светом.
Если электронов очень мало,
на пластинке, которая стоит за экраном с дырочками
будут точечки.
Каждый попадает в свою точечку.
Я увеличиваю поток электронов,
сохраняю маленькое отверстие,
через которое они проходят,
и эти точки сливаются в картину
в точности напоминающую ту, которая
происходит, если вместо электронов
используют электромагнитное излучение.
Т. е. свет.
Электроны испытывают дифракцию, как волна.
Вот, собственно, это и есть
корпускулярно-волновой дуализм —
все на свете немножко волна и немножко частица.
Причем немножко волна —
это очень интересное обстоятельство
на вероятностном уровне.
Посмотрите, где начинает, в чем,
что начинает происходить, когда я уменьшаю
плотность потока энергии
световой или электронной не важно.
У меня на экране засвечиваются отдельные точки
в случайных местах.
Получается, частица или волна, волночастица,
проходя через это маленькое отверстие,
может попасть сюда, сюда, сюда —
в разные точки экрана и с разными вероятностями.
Т. е. нет точной траектории у частицы.
Мы не можем точно сказать,
куда она полетит,
если мы даже знаем ее состояние
в некий начальный момент времени.
Вот она прошла через эту маленькую дырочку.
Но мы не можем с уверенностью сказать,
что произойдет с ней дальше.
Нельзя говорить в микромире,
в мире очень низких плотностей энергий
и очень малых масштабов,
нельзя говорить о траекториях.
Нельзя говорить о предопределенности движения
начальными условиями,
как устроена вся классическая механика
со времен Ньютона.
Знаешь начальные условия,
можешь рассчитать, что будет с системой
на бесконечных временах.
Здесь нельзя,
здесь можно говорить только о вероятностях.
А раз нельзя…
Андрей Станиславович, можно я Вас перебью.
Но мне кажется, что Вы запутали наших слушателей
просто совершенно окончательно.
Можно я попробую в Ваши слова
внести какую-то систему? Да.
Вы знаете, вот авторы квантовой механики,
вот эти самые исключительно молодые люди,
поставили перед собой, по-моему,
вопрос таким образом:
чем природа микромира отличается от макромира?
И фактически им пришлось сделать
одно предположение такое:
давайте предположим, что эксперимент
в одинаковых абсолютно тождественных системах,
сделанных абсолютно одинаковыми приборами
в одно и то же время,
имеет разный результат.
Ведь никто не сказал,
что они должны быть одинаковыми.
Конечно, классическая механика говорит нам об этом.
Но давайте предположим, что в микромире это так.
И вы знаете, только это предположение
фактически и явилось основой квантовой механики.
Если позволите, я переведу это чуть-чуть
на математический язык.
Т. е. речь идет вот о чем.
Раз нельзя говорить о траекториях,
раз нельзя говорить о предопределенности
положения и результата измерения,
можно говорить только о вероятности,
давайте и не будем говорить о предопределенности.
И если речь идет о движении,
не будем говорить о том, где,
в какой момент точно находиться объект,
а будем говорить о том,
с какой вероятностью я могу найти его там
или здесь.
И вот на эту функцию,
которую определяет вероятность,
она получила название волновой функции или пси-функции,
и будем пытаться найти
какое-нибудь уравнение,
которое позволит ее рассчитать,
желательно дифференциальное.
Почему желательно дифференциальное?
Потому что мы их умеем решать,
благодаря, иногда и кто-то умеет.
Но вы знаете, может быть. я добавлю.
Почти в завершении нашего сегодняшнего эпизода,
что один из в общем-то создателей
квантовой механики — Альберт Эйнштейн —
после того, как вот эта концепция
непредопределенности результата измерения
уже вошла в умы физиков,
очень резко с ней боролся.
Он всегда говорил:
"Я никогда не поверю,
что Бог играет с нами в кости".
А Бог не играет с нами в кости,
Бог играет по своим правилам, на самом деле.
И только иногда разрешает нам их понять,
подсмотреть.
И другой как раз вот, так сказать,
умнейший человек — Эрвин Шредингер.
Альберт Эйнштейн — умнейший человек,
Эрвин Шредингер — умнейший человек.
Но вот они немножко по-разному смотрели,
здесь я думаю, что мы с Сергеем Евгеньевичем,
наверное, согласны скорее со Шредингером,
который, кстати сказать,
и смог первым сформулировать уравнение
на эту пси-функцию,
с помощью которого можно рассчитать
и состояние электронов внутри атома,
и вот эти все вероятности,
и понять, почему таблица Менделеева
такая периодическая,
и много-много чего другого понять.
Вот это великое уравнение, вы его видите на экране.
Он говорил так:
"Нам иногда позволяют что-то узнать про природу.
Это великая милость Божия,
что нам было позволено понять,
что такое, как устроен мир на микроуровне,
и нам была дарована квантовая механика".
Именно так он это странным образом выражал.
Давайте на этой замечательной ноте
мы закончим наш сегодняшний эпизод.
До свидания! Приходите на наши лекции,
будет интересно! До свидания!
Explora nuestro catálogo
Inscríbete de manera gratuita y obtén recomendaciones personalizadas, actualizaciones y ofertas.
Coursera brinda acceso universal a la mejor educación del mundo, al asociarse con las mejores universidades y organizaciones, para ofrecer cursos en línea.
© 2018 Coursera Inc. Todos los derechos reservados.
