Биография Вернера Гейзенберга и его вклад в разработку квантовой механики

 

Министерство образования и науки Российской Федерации Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего профессионального образования

 «Российский  государственный профессионально-педагогический  университет»

Институт электроэнергетики и информатики Кафедра микропроцессорной управляющей вычислительной техники  

 

 

 

Контрольная работа по дисциплине

«История науки и техники»

«Биография Вернера Гейзенберга и его вклад в разработку квантовой механики»

Вариант № 61

 

Выполнил:

 Студент группы      ______________

  _____________________________

№ зачетной книжки – ____________

адрес: 620000, Свердловская область,  г. Екатеринбург, ул. Р.Амундсена, д. 22, корп. 2, кв.22. 

(личная подпись  студента)

 

12.04.2014  (дата окончания выполнения работы) 
Оглавление

Страница:

Введение ……………………………………………………………………… 2

 

Биография Вернера Гейзенберга…………………………………………..... 5

 

Старая квантовая теория……………………………………………………. . 8

 

Новая квантовая теория в физике………………………………………….. . 12

 

Заключение…………………………………………………………………… 18

 

Список литературы…………………………………………………………… 19

 

Хронологический список важнейших научных открытий и технологических изобретений человечества…………………………………………………….. 20

 

 

 

 

 

 

Введение

Мировоззрение Гейзенберга носит противоречивый характер, интересный с точки зрения философии и физики. Изучая биографию и работы Гейзенберга можно согласиться с японским физиком Сакатой, который, анализируя взгляды Гейзенберга, писал:  «Для Гейзенберга физика - это, прежде всего “уравнения мира”»[1, С. 79]. Развивая эту мысль можно сказать что Гейзенберг «решил» изрядную часть этого уравнения, сделав целый ряд важнейших открытий.

Гейзенберг является автором ряда фундаментальных результатов в квантовой теории: он заложил основы матричной механики, сформулировал соотношение неопределённостей, применил формализм квантовой механики к проблемам ферромагнетизма, аномального эффекта Зеемана и прочие. В дальнейшем активно участвовал в развитии квантовой электродинамики (теория Гейзенберга — Паули) и квантовой теории поля (теория S-матрицы), в последние десятилетия жизни предпринимал попытки создания единой теории  поля. Гейзенбергу принадлежит одна из первых квантовомеханических теорий ядерных сил [2].  Во время Второй мировой войны он был ведущим теоретиком немецкого ядерного проекта. Ряд его работ посвящён также физике космических лучей, теории турбулентности, философским проблемам естествознания

Кратко ознакомившись с работами и взглядами Гейзенберга, в ходе поиска информации для реферата я заинтересовался его необычной, неизвестной многим личностью и вкладом в науку. Этот ученый относится к разряду гениев, о которых, пишут научно популярные книги и статьи, но его фамилия не олицетворяет саму науку, как фамилии Эйнштейна, Фарадея, Тесла. Мне было интересно «взглянуть» на физику через судьбу и труды Гейзенберга, поэтому я выбрал именно эту тему для реферата: «Биография Вернера Гейзенберга и его вклад в разработку квантовой механики».

Актуальность выбранной мной темы я вижу, прежде всего, в принципах подхода Вернера Гейзенберга к проблемам изучения физики. Не будет преувеличением сказать, что со времени своего возникновения физика всегда оперировала наглядными и по возможности простыми моделями — сначала это были системы из классических материальных точек, а потом к ним добавилось электромагнитное поле, которое, в сущности, использовало также представления из арсенала механики сплошных сред. Дискуссии между Бором и Гейзенбергом привели к осознанию необходимости подвергнуть ревизии те образы, те понятия, которыми оперирует теория, дабы выделить из них действительно лишь те, которые выступают на опыте. Что такое, например, орбита электрона, можно ли ее наблюдать? Если учесть двойственную, корпускулярно-волновую природу электрона, то можно ли говорить о его траектории вообще? Можно ли построить такую теорию, в которой рассматривались бы только действительно наблюдаемые на опыте величины? [3] Именно благодаря необычайной любознательности Гейзенберга, удачно сочетающейся с прекрасной математической базой и желанием подтвердить абстрактные идеи конкретными опытами, физика смогла шагнуть на новую ступень. И хотя его открытия были сделаны в прошлом веке, но его подход к исследованиям, на мой взгляд, актуален и интересен до сих пор.

В своем реферате я ставлю следующие цели и задачи:

Цель: Изучение биографии Вернера Гейзенберга и его вклада в разработку квантовой механики

Задачи:

1)    Изучение биографии Вернера Гейзенберга

2) Изучение версии квантовой механики, которая была до опубликования трудов Гейзенберга

3) Изучение вклада Вернера Гейзенберга в разработку квантовой механики.

Для работы над рефератом я использовал книжные и электронные источники информация, из которых была тщательно изучена, законспектирована и распределена по главам. Список литературы, в соответствии с требованиями оформления реферата приведен после заключения.

 

Биография Вернера Гейзенберга.

Вернер Гейзенберг (Хайзенберг) (Heisenberg) (1901-76) — немецкий физик-теоретик, один из создателей квантовой механики, автор многочисленных трудов по физике и философии. Предложил (в 1925 году) матричный вариант квантовой механики; сформулировал (1927) принцип неопределенности; ввел концепцию матрицы рассеяния (1943). Труды по структуре атомного ядра, релятивистской квантовой механике, единой теории поля, теории ферромагнетизма, философии естествознания. Нобелевская премия (1932) [4].

 Вернер (Карл) Гейзенберг родился 5 декабря 1901 года, в Вюрцбурге.

Отец Вернера, Август Гейзенберг, женатый на Анне Векляйн, дочери директора Королевской Максимилиановской гимназии в Мюнхене, преподавал классические языки и историю в старой гимназии в Вюрцбурге и одновременно занимал должность приват-доцента Вюрцбургского университета по отделению средневековой и современной греческой филологии. В 1910 году, он получил в Мюнхенском университете кафедру классической филологии и византинистики (единственную тогда в Германии), и семья переехала в Мюнхен [4].

Вернер рос в доме, где сам воздух, казалось, был пропитан классическими гуманитарными традициями. Его отец был убежденным сторонником разностороннего образования. В 1911 году Вернер Гейзенберг, прошедший к тому времени начальное обучение, поступил в Максимилиановскую гимназию, где больше всего его привлекала математика и языки, в том числе, санскрит, и отец во всем поддерживает его. Когда через два года Вернер заинтересовался дифференциальным исчислением и попросил отца принести ему книги по математике из университетской библиотеки, тот принес ему трактат Кронекера на латинском языке. Изучение математики (эта книга очень увлекла Вернера) и языка шло параллельно [4].

Гимназиста Гейзенберга восхищал и поражал тот факт, что математика, в частности, геометрия находятся в соответствии с природой. Через всю жизнь Гейзенберг пронес убежденность в том, что великая европейская культура, в том числе и наука, связана корнями с античной философией и с христианством.

1920 г. Вернер Гейзенберг после  окончания гимназии вступил в  Мюнхенский университет, где изучал  физику.

1923 г. благодаря одаренности и  неординарным способностям он  стал доктором физических наук. Его диссертация была посвящена  некоторым аспектам квантовой  теории.

В течение 1924 г. Вернер Гейзенберг работает в Геттингенском университете ассистентом, а потом, получив стипендию Рокфеллеровского фонда, едет к Нильсу Бору в Копенгаген, где находится до 1927 г. Здесь Гейзенберг занимается проблемами строения атома. Его исследования касаются квантовой механики, квантовой электродинамики, релятивистской квантовой теории поля, теории ядра, магнетизма, физики космических лучей, теории элементарных частичек [4].

1925 г. он разработал систему матричной  механики — первый вариант  квантовой механики.

1927 г. Вернер Гейзенберг стал  профессором теоретической физики  Лейпцигзкого университета. В этом же году он опубликовал работу, в которой сформулировал принцип неопределенности.

1932 г. Гейзенбергу была вручена  Нобелевская премия в области  физики, как отмечалось, «за создания  квантовой механики, применение  которой инициировало другое  открытие аллотропических форм  водорода».

1941 г. Вернера Гейзенберга назначили  профессором физики Берлинского  университета и директором Физического  института кайзера Вильгельма. Не  разделяя стратегию нацистов, он  возглавил работы по проблемам  атомных исследований [5].

1943 г. к квантовой теории поля  им была введена матрица рассеяния (S — матрица).

Американские физики опасались, что Вернер Гейзенберг опередит их в изготовлении атомной бомбы, но из-за свей недальновидности нацисты создали очень серьезные препятствия на пути научных исследований ученого, вследствие чего немецкие участники атомного проекта не смогли даже построить ядерный реактор.

1945 г. Вернер Гейзенберг в числе  других немецких физиков находился  в плену, был интернирован а Великобританию. По возвращении в Германию он стал ректором Геттингенского университета и директором Института Макса Планка. Гейзенберг как и ряд других ученых предупреждал мир об опасности ядерной войны [5].

1958 г. Вернер Гейзенберг проквантировал нелинейное спинорное уравнение В. Иваненка (уравнение Иваненко-Гейзенберга). Много его работ в это время было посвящено философским проблемам физики.

Вернер Гейзенберг умер 1 февраля 1976 г. в Мюнхене [4]. 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Старая квантовая теория

  Начало 1920-х годов в атомной физике было временем так называемой «старой квантовой теории», в основе которой первоначально лежали идеи Нильса Бора, получившие развитие в работах Зоммерфельда и других учёных. В первоначальном варианте им использовалась планетарная модель атома Резерфорда, в рамках которой движущемуся по круговой орбите электрону сопоставлялись волна, квадрат модуля которой определял вероятность обнаружения электрона в данной точке (“волна ДеБройля”). Бор постулировал существование стационарных орбит, при движении по которым электрон не излучает электромагнитные волны (оказалось, что на таких орбитах укладывается целое число длин волн ДеБройля). При переходе электрона с одной орбиты на другую изменение его энергии сопровождается излучением или поглощением фотона [6].

  Такая модель объясняла частотные закономерности в спектре излучения атомов водорода, но еще сохраняла черты отвергаемой классической теории (электроны в атоме имели траектории, которые нельзя наблюдать, не изменяя состояния атома). Теория не могла объяснить некоторых деталей (“тонкой структуры”), обнаруженных при более точных (интерферометрических) исследованиях спектра водорода. Но, с помощью постулатов Бора не удавалось объяснить и наблюдаемые весьма сложные спектры многоэлектронных атомов и их молекулярных соединений и не объяснялось множество других явлений, происходящих с атомами и молекулами, которые были уже хорошо известны в химии [6].

На тот момент в физике считались основополагающими следующие подходы для изучения микрочастиц:

  1. Отказ от детерминированности и признание принципиальной роли случайности в процессах с участием микрообъектов. В классическом описании понятие случайности используется для описания поведения элементов статистических ансамблей и является лишь сознательной жертвой полнотой описания во имя упрощения решения задачи. В микромире же точный прогноз поведения объектов, дающий значения его традиционных для классического описания параметров, по-видимому, вообще невозможен. По этому поводу до сих пор ведутся оживленные дискуссии: приверженцы классического детерминизма, не отрицая возможности использования уравнений квантовой механики для практических расчетов, видят в учитываемой ими случайности результат нашего неполного понимания законов (“внутренних механизмов”), управляющих пока непредсказуемым для нас поведением микро объектов. Приверженцем такого подхода, допускающего наличие у квантовых объектов “внутренних степеней свободы”. Эйнштейн, сформулировавших свою позицию в знаменитом высказывании: ”Я не могу предположить, что бы господь Бог играл в кости”. До настоящего времени не обнаружено никаких экспериментальных фактов, указывающих на существование внутренних механизмов, управляющих “случайным” поведением микрообъектов [7].

  2. В классической концепции вероятности всегда складываются, что и приводило к не оправдывающемуся на опыте ожиданию обнаружить при открывании двух щелей картины, равную сумме изображений, получаемых от каждой из щелей в отдельности. В квантовой механике 1 закон справедлив только в случае, когда существует хотя бы принципиальная возможность установить какое из возможных событий произошло на самом деле (при освещении щелей Юнга коротковолновым излучением можно узнать, по какому пути прошел электрон, закон сложения выполняется и интерференционной картины не возникает). Если же ситуация такова, что события принципиально неразличимы, суммарная вероятность вычисляется, как квадрат модуля суммы комплексных функций, называемых амплитудами вероятностей, при этом вероятности не суммируются, что, например, и наблюдается в экспериментах по интерференции электронов. При движении в пустом пространстве амплитуда перехода частицы из одной точки в другую совпадает с выражением для плоской монохроматической волны, частота которой связана с энергией формулой Планка: далеко идущие выводы напрашиваются сами собой! Однако, именно здесь уместна большая осторожность: современная квантовая механика является нерелятивистской теорией и из ее законов непосредственно не может быть получено исчерпывающее описание ультрарелятивистской частицы – фотона [7].