Реферат: Концепция современного естествознания

Контрольнаяработа

«Концепциясовременного естествознания»

Вариант 5

1. Принцип неопределенности Гейзенберга

2. Пищевые цепи и экологическая пирамида.

1. Принципнеопределенности Гейзенберга

В первой четверти ХХ векаименно такова была реакция физиков, когда они стали исследовать поведениематерии на атомном и субатомном уровнях. Появление и бурное развитие квантовоймеханики открыло перед нами целый мир, системное устройство которого попростуне укладывается в рамки здравого смысла и полностью противоречит нашиминтуитивным представлениям. Но нужно помнить, что наша интуиция основана наопыте поведения обычных предметов соизмеримых с нами масштабов, а квантоваямеханика описывает вещи, которые происходят на микроскопическом и невидимом длянас уровне, — ни один человек никогда напрямую с ними не сталкивался.

Принцип Гейзенбергавообще играет в квантовой механике ключевую роль хотя бы потому, что достаточнонаглядно объясняет, как и почему микромир отличается от знакомого намматериального мира. Чтобы понять этот принцип, задумайтесь для начала о том,что значит «измерить» какую бы то ни было величину. Чтобы отыскать, например,эту книгу, вы, войдя в комнату, окидываете ее взглядом, пока он не остановитсяна ней. На языке физики это означает, что вы провели визуальное измерение(нашли взглядом книгу) и получили результат — зафиксировали ее пространственныекоординаты (определили местоположение книги в комнате). На самом деле процессизмерения происходит гораздо сложнее: источник света (Солнце или лампа,например) испускает лучи, которые, пройдя некий путь в пространстве,взаимодействуют с книгой, отражаются от ее поверхности, после чего часть из нихдоходит до ваших глаз, проходя через хрусталик, фокусируется, попадает насетчатку — и вы видите образ книги и определяете ее положение в пространстве.Ключ к измерению здесь — взаимодействие между светом и книгой. Так и при любомизмерении, представьте себе, инструмент измерения (в данном случае, это свет)вступает во взаимодействие с объектом измерения (в данном случае, это книга).

В начале 1920-х годов,когда произошел бурный всплеск творческой мысли, приведший к созданию квантовоймеханики, эту проблему первым осознал молодой немецкий физик-теоретик ВернерГейзенберг. Начав со сложных математических формул, описывающих мир насубатомном уровне, он постепенно пришел к удивительной по простоте формуле,дающий общее описание эффекта воздействия инструментов измерения на измеряемыеобъекты микромира, о котором мы только что говорили. В результате им былсформулирован принцип неопределенности, названный теперь его именем:

неопределенность значениякоординаты x неопределенность скорости > h/m,

математическое выражениекоторого называется соотношением неопределенностей Гейзенберга:

Δx х Δv >h/m

где Δx —неопределенность (погрешность измерения) пространственной координатымикрочастицы, Δv — неопределенность скорости частицы, m — масса частицы, аh — постоянная Планка, названная так в честь немецкого физика Макса Планка, ещеодного из основоположников квантовой механики. Постоянная Планка равняетсяпримерно 6,626 x 10–34 Дж·с, то есть содержит 33 нуля до первой значимой цифрыпосле запятой.

Термин «неопределенностьпространственной координаты» как раз и означает, что мы не знаем точногоместоположения частицы. Например, если вы используете глобальную системурекогносцировки GPS, чтобы определить местоположение этой книги, система вычислитих с точностью до 2-3 метров. (GPS, Global Positioning System — навигационнаясистема, в которой задействованы 24 искусственных спутника Земли. Если у вас,например, на автомобиле установлен приемник GPS, то, принимая сигналы от этихспутников и сопоставляя время их задержки, система определяет вашигеографические координаты на Земле с точностью до угловой секунды.) Однако, сточки зрения измерения, проведенного инструментом GPS, книга может с некоторойвероятностью находиться где угодно в пределах указанных системой несколькихквадратных метров. В таком случае мы и говорим о неопределенностипространственных координат объекта (в данном примере, книги). Ситуацию можноулучшить, если взять вместо GPS рулетку — в этом случае мы сможем утверждать,что книга находится, например, в 4 м 11 см от одной стены и в 1м 44 см отдругой. Но и здесь мы ограничены в точности измерения минимальным делениемшкалы рулетки (пусть это будет даже миллиметр) и погрешностями измерения исамого прибора, — и в самом лучшем случае нам удастся определитьпространственное положение объекта с точностью до минимального деления шкалы.Чем более точный прибор мы будем использовать, тем точнее будут полученные намирезультаты, тем ниже будет погрешность измерения и тем меньше будет неопределенность.В принципе, в нашем обыденном мире свести неопределенность к нулю и определитьточные координаты книги можно.

И тут мы подходим ксамому принципиальному отличию микромира от нашего повседневного физическогомира. В обычном мире, измеряя положение и скорость тела в пространстве, мы нанего практически не воздействуем. Таким образом, в идеале мы можем одновременноизмерить и скорость, и координаты объекта абсолютно точно (иными словами, снулевой неопределенностью).

В мире квантовых явлений,однако, любое измерение воздействует на систему. Сам факт проведения намиизмерения, например, местоположения частицы, приводит к изменению ее скорости,причем непредсказуемому (и наоборот). Вот почему в правой части соотношенияГейзенберга стоит не нулевая, а положительная величина. Чем меньшенеопределенность в отношении одной переменной (например, Δx), тем болеенеопределенной становится другая переменная (Δv), поскольку произведениедвух погрешностей в левой части соотношения не может быть меньше константы вправой его части. На самом деле, если нам удастся с нулевой погрешностью(абсолютно точно) определить одну из измеряемых величин, неопределенностьдругой величины будет равняться бесконечности, и о ней мы не будем знать вообщеничего. Иными словами, если бы нам удалось абсолютно точно установитькоординаты квантовой частицы, о ее скорости мы не имели бы ни малейшегопредставления; если бы нам удалось точно зафиксировать скорость частицы, мы быпонятия не имели, где она находится. На практике, конечно, физикам-экспериментаторамвсегда приходится искать какой-то компромисс между двумя этими крайностями иподбирать методы измерения, позволяющие с разумной погрешностью судить и оскорости, и о пространственном положении частиц.

На самом деле, принципнеопределенности связывает не только пространственные координаты и скорость —на этом примере он просто проявляется нагляднее всего; в равной меренеопределенность связывает и другие пары взаимно увязанных характеристикмикрочастиц. Путем аналогичных рассуждений мы приходим к выводу о невозможностибезошибочно измерить энергию квантовой системы и определить момент времени, вкоторый она обладает этой энергией. То есть, если мы проводим измерениесостояния квантовой системы на предмет определения ее энергии, это измерениезаймет некоторый отрезок времени — назовем его Δt. За этот промежутоквремени энергия системы случайным образом меняется — происходят ее флуктуация,— и выявить ее мы не можем. Обозначим погрешность измерения энергии ΔЕ.Путем рассуждений, аналогичных вышеприведенным, мы придем к аналогичномусоотношению для ΔЕ и неопределенности времени, которым квантовая частицаэтой энергией обладала:ΔЕΔt > h

Относительно принципанеопределенности нужно сделать еще два важных замечания: он не подразумевает,что какую-либо одну из двух характеристик частицы — пространственноеместоположение или скорость — нельзя измерить сколь угодно точно;

принцип неопределенностидействует объективно и не зависит от присутствия разумного субъекта,проводящего измерения.

Иногда вам могутвстретиться утверждения, будто принцип неопределенности подразумевает, что уквантовых частиц отсутствуют определенные пространственные координаты искорости, или что эти величины абсолютно непознаваемы. Не верьте: как мы толькочто видели, принцип неопределенности не мешает нам с любой желаемой точностьюизмерить каждую из этих величин. Он утверждает лишь, что мы не в состояниидостоверно узнать и то, и другое одновременно. И, как и во многом другом, мывынуждены идти на компромисс. Опять же, писатели-антропософы из числасторонников концепции «Новой эры» иногда утверждают, что, якобы, посколькуизмерения подразумевают присутствие разумного наблюдателя, то, значит, нанекоем фундаментальном уровне человеческое сознание связано с Вселенскимразумом, и именно эта связь обусловливает принцип неопределенности. Повторим поэтому поводу еще раз: ключевым в соотношении Гейзенберга являетсявзаимодействие между частицей-объектом измерения и инструментом измерения,влияющим на его результаты. А тот факт, что при этом присутствует разумныйнаблюдатель в лице ученого, отношения к делу не имеет; инструмент измерения влюбом случае влияет на его результаты, присутствует при этом разумное существоили нет.

Выводы. Изложенное меняетраспространенное представление о соотношении неопределенности и связанных с нейпарадоксах.

Влияние измерительногоинструмента н одновременное его воздействие на результат измерения сопряженныхпараметров не является спецификой квантовой механики и рассматриваемогосоотношения. Специфичным является феномен квантования “действия”.Соотношениенеопределенности не отражает волновых свойств частиц.Специфическаянеопределенность соответствует невозможности определения параметров отдельнойчастицы и не отражает вероятностный подход, относящийся к ансамблю частиц.

Специфическаянеопределенность отдельно каждого из сопряженных параметров определяетсяметодикой измерения.

Связь между точностямиизмерения сопряженных параметров имеет место не просто при одновременномизмерении обоих параметров, а при едином измерении, соответствующим определениюколичества квантов действия с параллельной, зависящей от используемой методикиизмерения, оценкой их компонентов — сопряженных параметров. Моделью подобногоизмерения является индикатор, в котором имеются три шкалы, отградуированные нетолько в квантах действия, но и в измеряемых сопряженных параметрах.

2. Пищевыецепи и экологические пирамиды

Внутри экологическойсистемы органические вещества создаются автотрофными организмами (например,растениями). Растения поедают животные, которых, в свою очередь, поедают другиеживотные. Такая последовательность называется пищевой цепью; каждое звенопищевой цепи называется трофическим уровнем (греч. trophos «питание»).

Организмы первоготрофического уровня называются первичными продуцентами. На суше большую частьпродуцентов составляют растения лесов и лугов; в воде это, в основном, зелёныеводоросли. Кроме того, производить органические вещества могут синезелёныеводоросли и некоторые бактерии.

Организмы второготрофического уровня называются первичными консументами, третьего трофическогоуровня – вторичными консументами и т. д. Первичные консументы – это травоядныеживотные (многие насекомые, птицы и звери на суше, моллюски и ракообразные вводе) и паразиты растений (например, паразитирующие грибы). Вторичныеконсументы – это плотоядные организмы: хищники либо паразиты. В типичныхпищевых цепях хищники оказываются крупнее на каждом уровне, а паразиты –мельче.

Существует ещё однагруппа организмов, называемых редуцентами. Это сапрофиты (обычно, бактерии игрибы), питающиеся органическими остатками мёртвых растений и животных(детритом). Детритом могут также питаться животные – детритофаги, ускоряяпроцесс разложения остатков. Детритофагов, в свою очередь, могут поедать хищники.В отличие от пастбищных пищевых цепей, начинающихся с первичных продуцентов (тоесть с живого органического вещества), детритные пищевые цепи начинаются сдетрита (то есть с мёртвой органики).

В схемах пищевых цепейкаждый организм представлен питающимся организмами какого-то определённоготипа. Действительность намного сложнее, и организмы (особенно, хищники) могутпитаться самыми разными организмами, даже из различных пищевых цепей. Такимобразом, пищевые цепи переплетаются, образуя пищевые сети.

Пищевые сети служатосновой для построения экологических пирамид. Простейшими из них являютсяпирамиды численности, которые отражают количество организмов (отдельных особей)на каждом трофическом уровне. Для удобства анализа эти количества отображаютсяпрямоугольниками, длина которых пропорциональна количеству организмов,обитающих в изучаемой экосистеме, либо логарифму этого количества. Частопирамиды численности строят в расчёте на единицу площади (в наземныхэкосистемах) или объёма (в водных экосистемах).

В пирамидах численностидерево и колосок учитываются одинаково, несмотря на их различную массу. Поэтомуболее удобно использовать пирамиды биомассы, которые рассчитываются не поколичеству особей на каждом трофическом уровне, а по их суммарной массе. Построениепирамид биомассы – более сложный и длительный процесс.

Пирамиды биомассы неотражают энергетической значимости организмов и не учитывают скоростьпотребления биомассы. Это может приводить к аномалиям в виде перевёрнутыхпирамид. Выходом из положения является построение наиболее сложных пирамид –пирамид энергии. Они показывают количество энергии, прошедшее через каждыйтрофический уровень экосистемы за определённый промежуток времени (например, загод – чтобы учесть сезонные колебания). В основание пирамиды энергии частодобавляют прямоугольник, показывающий приток солнечной энергии. Пирамидыэнергии позволяют сравнивать энергетическую значимость популяций внутриэкосистемы. Так, доля энергии, проходящей через почвенных бактерий, несмотря наих ничтожную биомассу, может составлять десятки процентов от общего потокаэнергии, проходящего через первичных консументов.

Органическое вещество,производимое автотрофами, называется первичной продукцией. Скорость накопленияэнергии первичными продуцентами называется валовой первичной продуктивностью, аскорость накопления органических веществ – чистой первичной продуктивностью.ВПП примерно на 20 % выше, чем ЧПП, так как часть энергии растения тратят надыхание. Всего растения усваивают около процента солнечной энергии, поглощённойими.

При поедании однихорганизмов другими вещество и пища переходят на следующий трофический уровень.Количество органического вещества, накопленного гетеротрофами, называетсявторичной продукцией. Поскольку гетеротрофы дышат и выделяют непереваренныеостатки, в каждом звене часть энергии теряется. Это накладывает существенноеограничение на длину пищевых цепей; количество звеньев в них редко бываетбольше 6. Отметим, что эффективность переноса энергии от одних организмов кдругим значительно выше, чем эффективность производства первичной продукции.Средняя эффективность переноса энергии от растения к животному составляет около10 %, а от животного к животному – 20 %. Обычно растительная пища энергетическименее ценна, так как в ней содержится большое количество целлюлозы и древесины,не перевариваемых большинством животных.

Изучение продуктивностиэкосистем важно для их рационального использования. Эффективность экосистемможет быть повышена за счёт повышения урожайности, уменьшения помех со стороныдругих организмов (например, сорняков по отношению к сельскохозяйственнымкультурам), использования культур, более приспобленных к условиям даннойэкосистемы. По отношению к животным необходимо знать максимальный уровеньдобычи (то есть количество особей, которые можно изъять из популяции заопределённый промежуток времени без ущерба для её дальнейшей продуктивности).

Трофическую структуру итрофическую функцию можно изобразить графически в виде экологических пирамид.Основанием этих пирамид служит первый трофический уровень — уровеньпродуцентов, а последующие уровни образуют этажи и вершину пирамиды.Экологические пирамиды можно отнести к трем основным типам:

1) пирамида численностей,отражающая численность отдельных организмов;

2) пирамида биомассы,характеризующая общую сухую массу, калорийность или другую меру общегоколичества живого вещества;

3) пирамида энергии,показывающая величину потока энергии и (или) «продуктивность» напоследовательных трофических уровнях.

Пирамиды численности имассы могут быть обращенными, или частично обращенными, т.е. основание можетбыть меньше, чем один или несколько верхних этажей. Так бывает, когда средниеразмеры продуцентов меньше размеров консументов. Можно сформулировать некое«экологическое правило»: данные по численности приводят к переоценкезначения мелких организмов, а данные по биомассе — к переоценке роли крупныхорганизмов. Следовательно, эти критерии непригодны для сравнения функциональнойроли популяций, сильно различающихся по отношению интенсивности метаболизма кразмеру особей, хотя, как правило, биомасса все же более надежный критерий,нежели численность.

Из трех типовэкологических пирамид пирамида энергии дает наиболее полное представление офункциональной организации сообществ. Число и масса организмов, которых можетподдерживать какой-либо уровень в тех или иных условиях, зависит не отколичества фиксированной энергии, имеющейся в данное время на предыдущемуровне, а от скорости продуцирования пищи. В противоположность пирамидам численностейи биомассы, отражающим статику системы (т.е. характеризующим количествоорганизмов в данный момент), пирамида энергии отражает картину скоростейпрохождения массы пищи через пищевую цепь. На форму этой пирамиды не влияютизменения размеров и интенсивности метаболизма особей, и если учтены всеисточники энергии, то пирамида всегда будет иметь «правильную форму»,как это диктуется вторым законом термодинамики. Концепция потока энергии нетолько позволяет сравнивать экосистемы между собой, но и дает средство дляоценки относительной роли популяций в их биотических сообществах.

Многие исследователисчитают, что трофическая структура — фундаментальное свойство каждогосообщества, ибо после острого нарушения его трофическая структура возвращаетсяк равновесию независимо от видового состава и быстрее его, т.е. трофическаяструктура обладает способностью восстанавливаться. И только если экосистемапостоянно находится под стрессовым воздействием, трофическая структура можетизмениться по мере приспособления биотических компонентов экосистемы кхроническим нарушениям.

ЛИТЕРАТУРА

1.        Гейзенберг В.Развитие квантовой механики. В кн. Гейзенберг В., Шредингер Э., Дирак П. А. М.Современная квантовая механика. Три нобелевских доклада. М., ГТТИ, 2004, с. 13– 35.

2.        Гейзенберг В.Физика и философия. М., ИЛ, 2003.

3.        Планк М. Двадцатьлет работы над физической картиной мира. Планк М. Избранные труды. М., Наука,1975, с. 567 – 589.

4.        Шредингер Э. Кпринципу неопределенности Гейзенберга. Шредингер Э. Избранные труды поквантовой механике. М., Наука, 1976, с. 210 – 217.