Поиск

Полнотекстовый поиск:
Где искать:
везде
только в названии
только в тексте
Выводить:
описание
слова в тексте
только заголовок

Рекомендуем ознакомиться

'Документ'
Несмотря на стремительную эволюцию вычислительной техники, новых типов компьютерных сетей не появилось, и сегодня, как и много лет назад, существует т...полностью>>
'Документ'
Можно ли вылечить травами эту страшную болезнь, перед которой пока так часто оказывается бессильной медицина? От­ветить утвердительно на этот вопрос ...полностью>>
'Документ'
1871 рік для української літератури дуже знаменитий. Цього року народилася Леся Українка, що згодом за словами Івана Франка, стала чи не наймужнішим ...полностью>>
'Литература'
Настоящая программа по литературе для 7 класса создана на основе федерального компонента государственного стандарта основного общего образования и пр...полностью>>

Тема задания (1)

Главная > Краткое содержание
Сохрани ссылку в одной из сетей:

Наименование дидактической единицы ГОС

N задания

Тема задания

Краткое содержание

Общие представления об естествознании

1

История

естествознания

Стадии развития: естествознание прошло три стадии и вступило в четвертую.

1) Стадия древнегреческой натурфилософии (.VI в. до н.э – XV век н.э.)- непосредственное созерцание природы как нерасчлененного целого; охватывается верно общая картина, но совершенно неясны частности; это стадия «синкретических» знаний, которая была вместилищем мифов, легенд, идей и догадок.

2) Аналитическая стадия (XV-XVI в.- середина XIX в.) - идет расчленение и выделение частностей, приведших к возникновению и развитию физики, химии, биологии и ряда др. естественных наук. Осуществляется анализ природы, идет процесс дифференциации, расчленение науки на части, выделение и изучение отдельных вещей и явлений, поиски отдельных причин и следствий, выделение составных частей сложных химических веществ; но за частностями исчезает общая картина универсальности связи явлений.

3) Интегральная стадия (середина XIX в.- середина XX в.) - начинается воссоздание целостной картины на основе уже познанных частностей путем приведения в движение остановленного, оживления омертвленного, связывания изолированного раньше, то есть на основе фактического соединения анализа с синтезом. Зарождается собственно естествознание.

4). С середины XX в. по настоящее время проявляется тенденция к интеграции наук при этом идет дальнейшая дифференциация научного знания (создание узких областей), эту стадию называют интегрально-дифференциальной..

Периоды в истории естествознания

Первый период - натурфилософский (зарождение элементов будущего естествознания) - характерен для древности VII –.VI в.в. до н.э. – I век н.э. В целом техника была еще слабо развита, хотя имелись уже отдельные выдающиеся технические достижения. Начали складываться в самостоятельные отрасли знания статика, астрономия и обслуживающая их математика Позднее стала выделяться химия (в форме алхимии). Анатомия, медицина, физика находились в зачаточном состоянии. Все естественно-научные знания входили в единую недифференцированную науку – натурфилософию. Дифференциация наук впервые наметилась в конце этого периода (александрийская наука).

Второй период - естествознание средневековья (до середины 15 века) характеризуется господством схоластики и теологии в Западной Европе и спорадическими открытиями у арабоязычных народов. Наука стала придатком теологии (астрология, алхимия, магия, кабалистика чисел). Прогресс техники совершался медленно. Техника не нуждалась в систематическом изучении природы и не оказывала заметного влияния на развитие естественно-научных знании, но и в это время шло накопление новых фактов, подготовивших переход к следующему периоду.

Третий период - классическое естествознание Нового времени начинается со времени становления капитализма в Западной Европе (со 2-й половины XVI века до конца XIX века). Естествознание этого периода революционно по своим тенденциям и механическим по сути. Здесь выделяется естествознание начала конца ХVII века - начала XVIII (формирование механического естествознания Г. Галилеем и завершение этого процесса И.Ньютоном). Господствующим методом мышления на этом этапе была метафизика, этот период можно назвать метафизическим. В XIX веке происходит стихийное проникновение диалектики в естествознание и утверждаются эволюционные идеи, так что третий период завершается стихийно-диалектическими процессами. В XIX веке произошло завершение исторического периода развития классической физики Новейшего времени. Девятнадцатое столетие ознаменовалось огромными успехами в исследовании природы электричества и магнетизма. Датский физик Эрстед (1777-1851) открыл магнитное поле. Ампер на опытах установил связь магнитных и электрических явлений. Майкл Фарадей (1791-1867) открыл явление электромагнитной индукции. Максвелл (1831-1879) теоретически устанавливает природу электромагнетизма, вводит понятие электромагнитного поля. Анализируя свои уравнения, Максвелл пришел к выводу о том, что существуют электромагнитные волны и свет есть разновидность электромагнитных волн. Предсказанные теорией Максвелла электромагнитные волны были открыты в 1888 г. Генрихом Герцем (1857-1894).

Четвертый период - постклассическое естествознание. С середины XX в. по настоящее время в естествознании началась четвертая революция, в ходе которой происходит разрушение прежних представлений о материи и ее строении, свойствах, формах движения и типах закономерностей, о пространстве и времени, утверждаются квантовые представления о процессах микромира и релятивистская динамика Эйнштейна.

2

Методы научного познания

1. Уровни научного познания:

1.1. Эмпирический – накопление первичного опытного материала, который требует дальнейшей обработки и обобщения.

1.2. Теоретический – приведение эмпирических данных в стройную систему и создание на их основе научной картины мира Различают фундаментальные теории и теории, описывающие конкретную область реальности.

2. Формы научного познания: (научные факты, проблемы, гипотезы и теории) - раскрывают динамику процесса познания, развитие знания в ходе исследования:

3. Методы научного познания

Научный метод – совокупность приемов и операций практического и теоретического познания действительности.

    1. Общие: метафизический и диалектический Общие методы позволяют связывать воедино все стороны процесса познания. К ним относят метод восхождения от абстрактного к конкретному, единство логического и исторического.

3.2. Частные (действуют в пределах одной науки) – это специальные методы, применяемые в пределах отдельных отраслей наук. Возможно применение частных методов в смежных науках, например, методов физики в химии, биологии и т. Д

3.3. Особенные: 3.3.1. Особенные эмпирические: наблюдение - целенаправленный строгий процесс восприятия предметов действительности, которые не должны быть изменены; измерение – определение количественных значений изучаемых сторон или свойств объекта иссл-я с помощью специальных технич. устройств; эксперимент - целенаправленное и строго контролируемое воздействие исследователя на Интересующий его объект для изучения его сторон, связей и отношений. 3.3.2. Особенные теоретические: индукция, дедукция, абстрагирование, идеализация, формализация, гипотеза.

Индукция - метод научного познания, представляющий собой формулирование логического умозаключения путем обобщения данных наблюдения и эксперимента (от частного к общему).

Дедукция - метод научного исследования, который заключается в переходе от некоторых общих посылок к частным результатам (следствиям). Метод дедукции не позволяет получить содержательно нового знания, но дает возможность логически развернуть систему положений на базе исходного знания. Применяется как способ выявления конкретного содержания общих посылок.

3.3.3. Особенные универсальные: аналогия, моделирование, анализ, синтез, классификация,

Аналогия - метод познания, при котором происходит перенос знания, полученного при рассмотрении какого-то одного объекта на другой, менее изученный, в данный момент изучаемый.

Моделирование - научный метод, основанный на изучении объектов посредством их моделей. Применяется в случаях, когда изучаемый объект или явление оказываются недоступными для изучения.

Анализ - метод научного познания, в основу которого положена процедура мыслительного или реального расчленения предмета на составляющие части. Анализ обычно является начальной стадией любого исследования.

Синтез - метод научного исследования, основанный на соединении различных элементов предмета в единое целое, в систему. Синтез выступает не как метод конструирования целого, а как метод представления целого в форме единства знаний, полученных при анализе. При синтезе происходит не просто объединение, а обобщение аналитически выделенных и изученных особенностей объекта.

Классификация - научный метод, позволяющий объединить в один класс объекты, максимально сходные друг с другом в существенных признаках.

3

Естественнонаучная и гуманитарная культуры

Гуманитарная и естественнонаучная культуры: от конфронтации к сотрудничеству

Современная наука — сложная и многообразная система отдельных научных дисциплин. Науковеды насчитывают их несколько тысяч, которые можно объединить в две следующие сферы: Фундаментальные науки имеют своей целью познание объективных законов мира как они существуют «сами по себе» безотносительно к интересам и потребностям человека. Прикладные науки - разрабатывают способы применения полученных фундаментальной наукой знаний для удовлетворения потребностей и интересов людей.

Совокупность систем ценностей, присущих отдельным наукам, называют научной культурой; говорят, например, о культуре гуманитарного познания, культуре естественно-научного познания, культуре технического знания и т.п. Характер научной культуры многое определяет в проблемах организации науки, в проблемах отношения науки и общества, вопросы нравственной ответственности ученого, особенности «этики науки», отношение науки и идеологии, науки и права, особенности организации научных школ и управления научными исследованиями и т.п. Наиболее контрастны такие различия «научных культур» между культурами гуманитарного и естественнонаучного познания.

Широко распространены представления о «двух культурах» в естественно-научной и гуманитарной культуре. Английский историк и писатель Ч. Сноу в середине 20 века написал книгу о «двух культурах», в которой сокрушается по поводу огромной пропасти между гуманитарной и естественнонаучной культурой. Ученые, посвятившие себя изучению гуманитарных и точных отраслей знания, все более и более не понимают друг друга .

Естествознание ориентировано на рационально-логический метод восприятия действительности, это знание выражается в тонных формулировках и количественных соотношениях, законах, нередко оформленных в виде математических формул. Гуманитарные знания получены путем эмоционально-образного восприятия действительности

Однако, художественно-образный и научно-рациональный способы отражения мира вовсе не исключают друг друга. Ученый должен обладать способностью не только к понятийному, но и к образному творчеству, обладать тонким художественным вкусом. Так, многие ученые прекрасно разбираются в искусстве, живописи, литературе, играют на музыкальных инструментах, глубоко переживают прекрасное, да и само научное творчество выступает для них как некий вид искусства. С другой стороны, художник, деятель искусства творит не произвольные, а типические художественные образы, предполагающие процесс обобщения, познания действительности. Таким образом, познавательный момент органично присущ искусству.

Одна из всеобщих закономерностей исторического развития науки — диалектическое единство дифференциации и интеграции науки. Образование новых научных направлений, отдельных наук сочетается со стиранием резких граней, разделяющих различные отрасли науки, с образованием интегрирующих отраслей науки (кибернетика, теория систем, информатика, синергетика и др.), взаимным обменом методами, принципами, понятиями и т.п. Наука в целом становится все более сложной единой системой с богатым внутренним расчленением, где сохраняется качественное своеобразие каждой конкретной науки. Таким образом, не конфронтация различных «культур в науке», а их тесное единство, взаимодействие, взаимопроникновение является закономерной тенденцией современного научного познания. В настоящее время процесс объединения двух культур динамично развивается.

Этические нормы и ценности науки строятся вокруг четырех основополагающих ценностей.

  1. Универсализм, убеждение в том, что изучаемые наукой природные явления повсюду протекают одинаково и что истинность научных утверждений должна оцениваться независимо от возраста, пола, расы, авторитета, титулов и званий тех, кто их формулирует. Наука, стало быть, внутренне демократична.

  2. Общность, смысл которой в том, что научное знание должно свободно становится общим достоянием. Тот, кто его впервые получил, не вправе монопольно владеть им..

  3. Незаинтересованность. Первичным стимулом деятельности ученого является бескорыстный поиск истины, свободный от соображений личной выгоды — завоевания славы, получения денежного вознаграждения.

  4. Конструктивный скептицизм. Каждый ученый несет ответственность за оценку доброкачественности того, что сделано его коллегами, и за то, чтобы эта оценка стала достоянием гласности. Равно необходимы как уважение к тому, что сделали предшественники, так и критическое отношение к их результатам. Более того, ученый должен не только настойчиво отстаивать свои научные убеждения, используя все доступные ему средства логической и эмпирической аргументации, но и иметь мужество отказаться от этих убеждений, коль скоро будет обнаружена их ошибочность.

4

Панорама и тенденции развития современного естествознания

Когда говорят о современном естествознании, имеют в виду:

1. квантовую теорию

2. теорию относительности

3. теорию коллективных явлений или синергетику.

4. теорию катастроф

В настоящее время можно говорить о новой глобальной научной революции, в ходе которой рождается новая постнеклассическая наука.

Кейс стадис - это относительно новое направление в развитии науки, разрабатываемое с 70-х годов нашего столетия. Кейс стадис допускает одновременное существование разных теорий и даже парадигм.

Квантовая теория получила свое начало в процессе решения проблемы излучения абсолютно черного тела, когда:

1. М.Планк в 1900 г. предположил, что электромагнитная волна испускается порциями, которые получили названия квантов. Такая дискретность означает, что волна имеет свойство частиц, корпускул! Энергия же одной такой частицы определяется частотой волны, Е=hν и равна произведению частоты ν на новую мировую константу (постоянную Планка h. Выполнив расчет, Планк получил распределение энергий в точности совпадающее с экспериментом.

2. А.Эйнштейн применил странную идею Планка к объяснению явления фотоэффекта

3. И Дэвиссон и Джермер пронаблюдали дифракцию потока электронов на кристаллической решетке никеля и обнаружили волновые свойства. Де-Бройль предположил, что у всех материальных объектов могут быть как корпускулярные, так и волновые свойства.

4. Работы Шредингера и Гейзенберга превратили обычную механику в волновую, основным понятием которой стала так называемая волновая функция, с помощью которой можно было предсказать вероятность обнаружения микрочастицы в том или ином месте пространства.

Все смешалось. Избежав ультрафиолетовой катастрофы, физика вступила в новый этап, где результаты перестали быть наглядными.

Наиболее важной отличительной чертой новой физики явилась именно ее концептуальная основа, основа на концепции, принципиально неустранимый разрыв между входными условиями и наблюдаемыми результатами, требующий построения аксиоматической теории. Именно об этом шла речь во Введении, когда обсуждался "эксперимент на расстоянии". Одновременно возник важный вопрос, который ранее не обсуждался во всей полноте: что такое измерение? Что именно и как мы измеряем, когда измеряем что-то?

теория относительности разработана А.Эйнштейном, в е основе – два постулата:

1. Скорость света есть величина постоянная в любых системах отсчета

2. Все физические процессы при одних и тех же условиях протекают одинаково в любых системах отсчета. (это вытекает из опыта Майкельсона-Морли по определению скорости движения Земли относительно эфира).

Следствием двух этих постулатов (уточненного принципа относительности и независимости скорости света от инерциального движения системы отсчета) является то, что при движении с околосветовой скоростью происходит: а) замедление времени, б) сокращение линейных размеров тел. Это было осознано А.Эйнштейном в 1905 году и легло в основу так называемой специальной теории относительности.

Дальнейшее развитие этих идей привело А.Эйнштейна к созданию общей теории относительности, также называемой теорией гравитации или геометродинамикой, согласно которой: а) материальные объекты искривляют пространство, т.е., что свойства пространства зависят от свойств материальных тел В настоящее время релятивистские эффекты непосредственно учитываются при конструировании спутниковых систем GPS (Global Positioning System), обеспечивающих навигацию на поверхности Земного шара с высокой точностью. Существование (гипотетических) загадочных черных дыр следует из этой теории.

синергетикА. Большой вклад в исследование коллективных явлений в открытых системах был сделан И.Пригожиным, разработавшим так называемую нелинейную динамику и доказавшим, что неравновесие в термодинамической системе может быть причиной возникновения порядка. Если от рассмотрения замкнутых систем перейти к рассмотрению открытых, обмениваются энергией с окружающей средой, то возможно усиление флуктуаций, в результате которого в хаотической системе возникает упорядоченность, структура. Пожалуй, наиболее наглядным примером является образование перистых облаков. Облака - это мельчайшие частички жидкой воды или твердого льда, находящиеся в сложной системе воздушных потоков, и обычное кучевое облако, несмотря на опознаваемую форму (паттерн), структуры все же не имеет. Однако в определенных условиях она возникает, и появляются перистые облака с правильным чередованием равноотстоящих перьев. Это так называемый кооперативный эффект. Нечто подобное происходит и в такой непохожей системе, как лазер, где в результате кооперативного эффекта происходит согласованное излучение электромагнитных волн. С этой точки зрения процессы лазерной генерации были исследованы Г.Хакеном. И в случае фазовых переходов, сопровождающихся сменой симметрии, также играют роль кооперативные эффекты, и в химических реакциях особого рода. Таким образом, налицо образование структур в неживой материи, то есть свойство, которое считалось присущим лишь живому веществу. Самоорганизация проявляется в форме гигантской коллективной флуктуации, поведение которой не может быть описано в рамках традиционной статистической физики. В состоянии такого перехода элементы системы ведут себя коррелировано, хотя до этого они пребывали в хаотическом движении. Такое совместное взаимодействие частиц с образованием структур получило название синергетики.

теория катастроф. Тома разработал теорию катастроф - скачкообразных изменений, возникающих в виде внезапного ответа системы на плавное изменение внешних условий, - накопление мелких незначительных воздействий в конце концов вызывает лавинообразный срыв. Примером такого сорта явлений является накопление песка, высыпающегося тонкой струйкой на поверхность: сначала он просто рассыпается по ней, затем вырастает конус и в какой-то момент, когда количество песка в верхней части конуса превысит критическое значение, происходит обвал, а затем вновь наступает равновесие и накопление новой массы сверху. Эта теория дает универсальный метод исследования всех скачкообразных переходов, разрывов, внезапных качественных изменений.

Современная наука - это наука, связанная с квантово-релятивистской картиной мира. Ее основные особенности следующие:

1.       квантово-релятивистский подход;

2.       диалектичность;

3.       изучение объектов и явлений на основе теории вероятности;

4.       признание неисчерпаемости материи вглубь;

5.       антиэлементаризм, т. е. отказ от стремления выделить элементарные составляющие сложных структур;

6.       неточность и нестрогость результатов исследования и научных теорий;

7.       отказ от изоляции предмета исследования от окружающих воздействий;

8.       динамизм, обусловленный исследованиями неравновесных, нестационарных, открытых систем с обратной связью;

9.       развитие наук биосферного класса;

10.   апогей противостояния науки и религии.

Современный сциентизм формирует следующие мировоззренческие установки:

 рациональный расчет;

 прагматизм (люди - средства достижения цели);

 доминирование материальных интересов над духовными;

 сомнение в истинности духовных ценностей.

В настоящее время черты будущего постмодернистского мировоззрения и постнеклассической науки.

По мнению большинства ученых, будущая постнеклассическая наука будет обладать следующими чертами:

1. Признавать равноправие таких сфер человеческой деятельности, как религия, философия, искусство. Постмодернизм принципиально отвергает выделение какой-то одной сферы человеческой деятельности в качестве ведущей. Постнеклассическая наука должна быть гармонично вписана в систему человеческой культуры и мировоззрения.

2. Иметь тенденцию к гуманизации, т. е. включить в свой предмет человека, допуская элементы субъективности в объективно истинном знании.

3. Познание в постнеклассической науке должно иметь диалогический характер.

4 Должна основываться на идее глобального эволюционизма - всеединой, нелинейной, самоизменяющейся, самоорганизующейся системы, в недрах которой возникают и исчезают структуры от физических полей, до биосферы и более крупных систем.

5. Иметь комплексный характер на основе стирания граней и перегородок между традиционно обособленными естественными, общественными и техническими науками, интенсификации междисциплинарных исследований.

6 Должна опираться на новые достижения в сфере хранения и получения знаний.

7. Выступать как предпосылка производства и воспроизводства человека как субъекта исторического процесса, как личности и как индивидуальности.

Самоорганизация материи

 Идея самоорганизации материи утвердилась в научном мировоззрении во второй половине ХХ века в связи с заменой стационарной модели Вселенной развивающейся моделью. Стационарная модель Вселенной считала господствующей тенденцию материи к разрушению случайно возникшей упорядоченности и возвращению ее к исходному хаосу. Прежние представления базировались на основе статистической механики и равновесной термодинамики, которые описывают поведение изолированных систем, не обменивающихся ни веществом, ни энергией с окружающей средой. Вселенная тоже рассматривалась как замкнутая система.

Сегодня наука считает все известные системы, от самых малых, до самых больших, открытыми, т. е. обменивающимися веществом, энергией, информацией и находящимися в термодинамически неравновесном состоянии. На этой основе возникло представление о самоорганизации материи.

Самоорганизация - это природные скачкообразные процессы, переводящие открытую неравновесную систему, достигшую критического состояния в своем развитии, в новое устойчивое состояние с более высоким уровнем сложности и упорядоченности по сравнению с исходным.

Критическое состояние - это состояние крайней неустойчивости, достигаемое открытой неравновесной системой в ходе предшествующего периода плавного эволюционного развития.

Сложные объекты обладают новыми качествами, которых лишены исходные простые элементы, составляющие их. Процесс объединения простых элементов в более сложные системы протекает лишь при определенных условиях, при которых наступает критический момент. Существуют пороговые значения управляющих параметров (температура, плотность, давление и т. д.), называемые критическими значениями, которые отделяют область возможного образования от области, где этот процесс невозможен.

Наиболее высоким уровнем упорядоченности обладает жизнь и порожденный ею разум. Тем не менее, сравнительно недавно установлено, что самоорганизация присуща неживой природе в той же мере, что и живой. Все самоорганизующиеся системы различных уровней имеют единый алгоритм перехода от менее сложных и менее упорядоченных к более сложным и более упорядоченным системам. Разработка теории самоорганизации началась в последние годы по нескольким направлениям:

        синергетика (Г. Хакен);

        термодинамика неравновесных процессов (И. Пригожин);

        теория катастроф (Р. Том).

 

Синергетика - наука о самоорганизации простых систем, о превращении хаоса в порядок. Понятие синергетика означает кооперативность (содействие, сотрудничество), взаимодействие различных элементов системы.

Синергетика возникла она в результате исследования процессов развития в различных системах – гидродинамических, химических, биологических и других. Было обнаружено, что в этих системах в неравновесных условиях спонтанно происходит переход от менее упорядоченных и сложных форм организации к более сложным и упорядоченным. Причём во всех системах алгоритм перехода оказался одним и тем же, и описывался он одними и теми же математическими уравнениями. По этой причине мы можем утверждать, что принципы синергетики имеют глобальный характер, и претендуют на роль универсального природного закона.

  Различают два типа самоорганизации: 1-й, когда в системе не появляется качественно новых элементов и наблюдается их перекомбинация, сочетание элементов или изменение их количества (в неживой природе - образование галактик, вихрей, химические автоколебательные реакции, лазеры, неравновесные фазовые переходы и пр.); 2-й - в системе появляются качественно новые элементы, так называемые бифуркационные точки роста (в живой природе - образование видов, зарождение жизни, появление человека и пр.). Самоорганизующиеся системы способны сохранять внутреннюю устойчивость при воздействии внешней среды, они находят способы самосохранения, чтобы не разрушаться и даже улучшать свою структуру.

В отсутствии самоорганизации наблюдается быстрое установление однородного состояния; все части простой системы тождественны между собой, везде все одинаково, симметрично, однородно. Именно в этом различие в самоорганизации в живой и неживой природе.

Неравновесная термодинамика И. Пригожина рассматривает неравновесность открытых систем как причину порядка. Чтобы система могла не только поддерживать, но и создавать порядок из хаоса, она обязательно должна быть открытой и иметь приток вещества и энергии извне. Такие системы И. Пригожин назвал диссипативными. Весь мир, доступный человеку, состоит именно из таких систем.

Проблемами самоорганизации также занимается теория катастроф. Катастрофы - это скачкообразные изменения, возникающие в виде внезапного ответа системы на плавное изменение внешних условий. Эта теория исследует все скачкообразные переходы, разрывы, внезапные качественные изменения.

Физические концепции мира

5

Структурные уровни организации материи

Структурные уровни организации материи

Доступная нам природа условно разделяется на следующие уровни:

микромир (элементарные частицы, ядра атомов, комплексы ядер, атомы, молекулы),

макромир (комплексы молекул; микрофизические комплексы: кристаллы, клетка; организмы; сообщества организмов: экосистемы, биосфера)

 Мегамир (планеты, звездно-планетные комплексы, галактики, Метагалактика).

На основании этих представлений выделяют:

1.Геоцентрический мир - реальный мир на уровне макромира. Явления геоцентрического мира описываются евклидовым пространством, ньютоновым (абсолютным, одномерным) временем и лейбницевым качеством, где целое всегда больше части.

2.Негеоцентрический мир - микромир и мегамир, описываемые неевклидовым пространством (геометрии Лобачевского-Римана), неньютоновым временем, нелейбницевым качеством (теория относительности, квантовая механика).

Структура микромира. В настоящее время в микромире выделяется четыре уровня вещества:

1. молекулярный;

2. атомный;

3 нуклонный (уровень атомного ядра);

4. кварковый.

Уже обсуждается возможный облик пятого уровня вещества - суперструнного. Каждый вновь открываемый уровень качественно отличается от ранее известных, его характеризуют другие свойства соответствующих частиц. Поиск самых простых частиц привел исследователей к пониманию того, что абсолютной элементарности не существует, что частица любого уровня сложна в своей сущности и проявлениях. Условно принято считать элементарными те частицы, у которых сегодня не обнаружена внутренняя структура, а их размеры недоступны измерению, т. е. меньше 10-15 см.

Исходя из значения спина (внутренней степени свободы движения частицы), все элементарные частицы можно разделить на две группы:

 частицы с целочисленным спином (0, 1, 2 ...) называются бозонами в честь известного физика Бозе. На них запрет Паули не распространяется, и они могут находиться вместе в любом количестве. Поля бозонов переходят в классические поля. Так, одна из бозонных частиц, - фотон может стать классическим электромагнитным полем, излучающим свет, радиоволны. В макромире бозоны проявляют себя обычно на уровне полей.

 частицы с полуцелым значением спина (1/2, 3/2 ...) называются фермионами в честь великого физика Ферми. Они могут находиться вместе только при условии, что их физические состояния и параметры не одинаковы. Этот закон квантовой механики получил название запрета Паули. Поля фермионов всегда остаются квантованными и легко переходят в частицы. В макромире фермионы проявляются на уровне вещества. В свою очередь, фермионы разделяются на лептоны и кварки.

Класс лептонов включает 6 частиц и 6 античастиц:

 электрон,  мюон, тау-лептон,  три вида нейтрино.

 Лептоны не участвуют в образовании ядерных частиц - нуклонов и в сильных взаимодействиях.

Класс кварков также содержит 6 частиц и столько же античастиц. Каждый тип кварков физики условно назвали ароматом.

Аромат обозначает квантовое число, приписываемое частице данного типа. Кварки - электрически заряженные частицы, имеющие дробные значения по отношению к заряду электрона, принятого за 1, и равны 1/3, 2/3 с положительным или отрицательным знаком.

Кварки и антикварки группируются по 2 или по 3 частицы и образуют составные частицы адроны. Отдельно от адронов кварки существовать не могут. Адроны подразделяются на 3 группы:

1. Барионы: протон и нейтрон, фундаментальная основа атомных ядер.

2. Мезоны - частицы, получаемые путем сочетания кварка и антикварка.

3. Антивещество - содержит частицы, образуемые сочетанием трех антикварков. Дальнейшие исследования показали, что кварки одного аромата не идентичны и различаются характером взаимодействием друг с другом. Поэтому для их описания ввели еще одно квантовое число, которое условно назвали цветом. Эксперименты на ускорителях подтвердили, что разделение кварков одного аромата на три «цвета» - красный, зеленый и синий - отражает действительность.

6

Корпускулярная и континуальная концепции описания природы

Основными формами материи являются вещество и поле.

Вещество - это различные частицы и тела, имеющие массу покоя.

Поле - это специфическая форма распределения материи в пространстве и времени. Поля и их кванты не имеют массы покоя, хотя обладают энергией и импульсом. Вещества и поля тесно взаимосвязаны между собой. Если рассматривать структуру вещества, то во всех системах внутреннее пространство будет заполнено полями, а на долю частиц приходится ничтожная часть общего объема системы (10-36-10-40 объема). Таким образом, поля входят в структуру вещества. Это доказывает единство непрерывности (континуальности) и прерывистости (дискретности) материи.

Частицы обладают относительной дискретностью и локализованностью в пространстве, тогда как поля непрерывно распределены в нем. При этом поля не являются абсолютно континуальными средами. При излучении и поглощении они ведут себя дискретно, в виде квантов. Кванты полей взаимодействуют с частицами вещества как дискретные образования. Частицы неотделимы от полей, и не существует резкой границы, где кончается частица и начинается ее внешнее поле.

Единство непрерывного и прерывистого в структуре материи проявляется в единстве корпускулярных и волновых свойств всех частиц вещества. Обладая относительной дискретностью, объекты микромира при взаимодействиях и движении могут проявлять волновые свойства: способность к дифракции, интерференции, характеризуются длиной волны (l), обратно пропорциональной их массе (m) и скорости (v).

 

 где h - постоянная Планка;

 Это соотношение устанавливает взаимосвязь корпускулярного параметра частицы (массы) с волновым (длина волны).

Поле и вещество обладают определенными физическими параметрами. Движущееся поле (волна) описывается длиной волны, фазой, амплитудой и их изменениями в пространстве и времени. Частицы характеризуются массой покоя, зарядом, временем жизни, квантовыми числами, спином (моментом количества движения).

Вещество может находиться в четырех состояниях: твердом, жидком, газообразном и плазменном (сильно ионизированного газа). Разновидностями плазмы являются: пламя, взрыв, электрические заряды (искровой, тлеющий, дуговой, коронный, шаровой).

Поля бывают: электромагнитное, гравитационное, сильное и слабое (связывают частицы в ядрах атомов). В настоящее время ряд ученых признает существование биополя, но пока его реальность недостаточно подтверждена экспериментально.

Способом существования материи является движение.

Движение - это всякое изменение вообще, а именно в пространстве и времени. Материя и движение сущностно едины, их нельзя разделить. Это доказывает формула Эйнштейна:

 

В 1924 Луи де Бройль предположил: не только луч света, но и все тела в природе должны обладать и волновыми и корпускулярными свойствами одновременно. Поэтому, кроме световых волн и частиц материи, в природе должны реально существовать и корпускулы света, и волны материи. Конкретно, он предложил с каждым микрообъектом связывать, с одной стороны, корпускулярные характеристики (энергию Е и импульс р.), а с другой стороны, волновые характеристики (частоту ν и длину волны λ).

Свет имеет два типа свойств, которые кажутся прямо противоположными: волновые свойства и свойства частиц. Довольно часто два типа свойств приводят к одинаковым результатам, но имеется и существенная разница. Её можно представить следующим образом:

Частицы:

  • Переносят свою энергию (кинетическую) и импульс компактным пакетом.

  • При наложении двух потоков их вклады прибавляются один к другому.

  • Отбрасывают резкую тень

  • Либо проходят через дырку в стенке, либо не проходят, частица не может частично пройти через одну, а частично через другую дырку в одной и той же стенке.

Волны:

  • Переносят свою энергию, распределённую по всему «фронту волны».

  • При наложении двух потоков (из одного источника) интерферируют

  • Огибают препятствия.

  • Могут переходить с одной стороны стенки на другую через любое количество дырок.

  • Поперечные волны могут обладать поляризацией.

Идею дуализма «волна-частица» трудно воспринять для света, но ещё труднее для атомов, электронов и всех частиц. Свет, проходящий через пару щелей в стенке, образует на удалённом экране интерференционные полосы Юнга. Но его энергия, очевидно, переносится пулеподобными квантами, большая часть которых попадает на яркие и только малая часть квантов - на тёмные полосыi.

Первоначально идея дуализма была применена к электромагнитному излучению. Еще в 1917 г. Эйнштейн предложил рассматривать введенные Планком кванты излучения как своеобразные частицы, обладающие не только определенной энергией, но и определенным импульсом. Позднее (с 1923 г.) эти частицы стали называть фотонами.

Весьма ярко корпускулярные свойства излучения проявились в эффекте Комптона (1923 г.), когда пучок рентгеновских лучей рассеивается на атомах вещества и ведет себя как поток фотонов, которые испытывают упругие столкновения с электронами атомов, и выполняют закон сохранения энергии и импульса для сталкивающихся частиц. При этом достигалось не только качественное, но и количественное согласие с экспериментом.

Гипотеза де Бройля получила в 1927 г. подтверждение: была обнаружена дифракция электронов. Исследуя прохождение электронов сквозь тонкие пластинки, на экране обнаружили дифракционные кольца, что доказывает волновые свойства электронов.

7

Фундаментальные взаимодействия

Физическое взаимодействие

 Взаимодействие представляет собой развертывающийся во времени и пространстве процесс воздействия одних объектов на другие путем обмена материей и движением. Взаимодействие выступает как движение материи, а любое движение включает в себя различные виды взаимодействия. Не существует движения, в котором не было бы взаимодействия, так и не существует взаимодействия без движения. По современным представлениям взаимодействие любого типа должно иметь своего физического агента-переносчика.

В настоящее время различают 45 фундаментальных взаимодействия:

Гравитационное является самым слабым из взаимодействий, оно описывается законом тяготения И. Ньютона. В макромире оно тем сильнее, чем больше массы взаимодействующих тел. В микромире гравитационное взаимодействие теряется на фоне более мощных ядерных и электромагнитных сил: сила гравитационного притяжения электронов в 1040 раз меньше, чем их сила электростатического отталкивания.

Гравитационные взаимодействия обусловливают образование всех космических систем, а также концентрацию рассеянной материи звезд и галактик. Считается, что скорость распространения гравитационных волн равна скорости света в вакууме, но они еще достоверно не зарегистрированы приборами.

С точки зрения квантовой механики предполагается, что поле тяготения создается частицей гравитоном, хотя экспериментально она еще не найдена. Считается, что силы тяготения являются результатом постоянного обмена между телами гравитонами, которые переносят энергию

Электромагнитное взаимодействие обладает универсальным характером и проявляется в притяжении разноименных зарядов или отталкиванием одноименных.

Благодаря электромагнитному взаимодействию возникают атомы, молекулы и макроскопические тела. Все химические реакции - это проявление электромагнитных взаимодействий, которые приводят к перераспределению химических связей между атомами и молекулами.

Электричество и магнетизм - это силы одного и того же феномена. Электродинамика Д. Максвелла является законченной классической теорией электромагнетизма, сохраняющей свое значение и в наши дни.

В современной физике создана более совершенная и точная квантовая электродинамика, которая утверждает, что заряд создает поле, квантом которого является безмассовая частица фотон.

Электрический заряд проявляется в двух разновидностях: заряд электрона назван отрицательным, а заряд, которым обладают протон и позитрон - положительным. Взаимодействие положительных и отрицательных зарядов обеспечивается обменом фотонов. Во всех электромагнитных процессах выполняется закон сохранения заряда, импульса и энергии.

Слабое взаимодействие - это фундаментальное физическое взаимодействие, существующее только в микромире. Оно способствует превращению одних частиц (фермионов) в другие. Примером такого взаимодействия является b-распад. В ходе этого процесса свободный нейтрон в среднем за 15 минут распадается на протон, электрон и антинейтрино.

 n0 ® p+ + e- + n-

 Распад вызван превращением внутри нейтрона кварка аромата d в кварк аромата u. Слабым зарядом обладают некоторые элементарные частицы из класса лептонов и кварков. Он образует три разновидности поля с обменными частицами (бозонами), имеющими значительную массу. Радиус его действия очень мал - 10-15 см.

В настоящее время предполагается, что существует единый фундаментальный заряд, определяющий одновременно электрослабое взаимодействие.

Сильное взаимодействие соединяет элементарные частицы - кварки и антикварки в адроны. Теория сильных взаимодействий находится в стадии становления. Исходным положением этой теории является существование трех условных типов цветовых зарядов кварков: красного, синего и зеленого, которые и определяют сильное взаимодействие.

Цветовые заряды кварков и антикварков создают 8 типов полей, переносчиками (квантами) которых являются 8 типов цветовых бозонов, названных глюонами. Глюоны, как фотоны и гравитоны, не имеют массы, но имеют цветовые заряды и обладают ограниченным радиусом действия, равным 10-13 см. На очень близких расстояниях кварки перестают влиять друг на друга, но с увеличением расстояния между кварками сила взаимодействия нарастает. Для разделения двух частиц с цветовыми зарядами понадобилась бы бесконечно большая энергия.

До открытия кварков и их цветового взаимодействия фундаментальным считалось ядерное взаимодействие, объединяющее протоны и нейтроны (барионы) в ядрах атомов. С открытием кваркового уровня вещества под сильным взаимодействием стали понимать цветовые взаимодействия между кварками. Таким образом, ядерные силы - это отголоски цветовых сил.

В настоящее время физики пытаются выявить универсальные механизмы всех фундаментальных физических взаимодействий. Объединение электромагнитного и слабого взаимодействия в единое элетрослабое взаимодействие стало первым успехом на этом пути. Существуют попытки создания теории Большого объединения на основе объединения электромагнитного, слабого и сильного взаимодействий. Еще более грандиозна идея объединения всех типов фундаментального взаимодействия (гравитационного, электромагнитного, слабого, сильного) в теорию Суперобъединения.

Физики считают, что могут создать эту теорию на основе теории суперструн. Теория суперструн основана на предположении, что существуют некие протяженные объекты - струны. Это пространственно одномерные отрезки, размером 10-33 см, имеющие 6 дополнительных пространственных измерений, которые в отличие от обычных 4-х измерений, замкнуты и свернуты в точки, не распространяясь на область макромира.

Понятие струны становится синонимом понятия частицы. Все частицы являются возбужденным состоянием струн. Различная степень возбуждения («звучания») струн определяет различные свойства элементарных частиц.

Теория суперструн предполагает некоторые интересные следствия:

 струны могут порождать гипотетические элементарные частицы тахионы, движущиеся со скоростью, большей скорости света.

возможность существования теневого мира, как объяснение факта, открытого астрономами, что галактики содержат массу невидимого вещества, в десятки раз превосходящую массу самих галактик.

8

Пространство, время, принципы относительности

Проблемы пространства-времени. Теория относительности

Естественные науки часто связаны с изменением длин и длительностей, т. е. пространственно-временными характеристиками объектов.

Понятие пространства возникло в науке на основе наблюдения и практического использования объектов, их объема и протяженности. Понятие времени основано на восприятии человеком смены событий, состояний предметов и круговорота различных процессов.

Естественнонаучные представления о пространстве и времени прошли длительный путь своего становления и развития:

обыденные представления: Пространство и временя - условиях бытия, в которые помещена материя и которые сохранились бы, если бы даже материя исчезла.

 концепция абсолютного пространства и времени разработана И. Ньютоном в работе «Математические начала натуральной философии», в которой были определены понятия пространства, времени, места и движения, при этом, Ньютон выделил абсолютные и относительные.понятия.

 Абсолютное время, протекает равномерно и иначе называется длительностью. Относительное время - это внешняя мера продолжительности, употребляемая в обыденной жизни (час, день, месяц, год и т. д.). Абсолютное пространство всегда безотносительно к чему-либо внешнему и остается всегда неизменным и неподвижным. Относительное пространство существует всегда относительно других тел.

Таким образом, пространство время являются как бы вместилищами самих себя и всего существующего, как некий «черный ящик», куда помещены все объекты бытия.

Современное понимание пространства и времени было сформулировано в теории относительности А. Эйнштейна.

Классический принцип относительности был сформулирован Г. Галилеем. Согласно этому принципу, во всех инерциальных системах отсчета, т. е. системах, движущихся прямолинейно и равномерно, движение тел происходит по одинаковым законам. Из этого принципа следует, что между покоем и движением, если оно прямолинейно и равномерно, нет принципиальной разницы, движение и покой относительны. Понятие покоя и движения приобретают смысл тогда, когда указана точка отсчета.

В специальной теории относительности данный принцип был распространен также на законы электродинамики. В соответствии со специальной теорией относительности, которая объединила пространство и время в единый четырехмерный пространственно-временной континуум, пространственно-временные свойства тел зависят от скорости их движения. Пространственные размеры сокращаются в направлении движения при приближении скорости тела к скорости света в вакууме (300 000 км/с). Временные процессы при таких высоких скоростях замедляются, а масса тела увеличивается. Процессы замедления хода времени в зависимости от скорости движения реально регистрируются на уровне элементарных частиц.

Абсолютная скорость света не противоречит принципу относительности и полностью совместима с ним. Скорость света - это верхний предел для скорости перемещения любых тел природы, частиц, полей, волн.

Общая теории относительности подвела физические основания под неевклидовы геометрии и связала кривизну пространства с действием гравитационных полей, создаваемых массами тел. Общая теория относительности исходит из принципа эквивалентности инерционной и гравитационной масс, количественное равенство которых было установлено еще в классической физике. Кинематические эффекты, возникающие под действием гравитационных сил, эквивалентны эффектам. Возникающим под действием ускорения.

Общая теория относительности установила не только искривление пространства под действием полей тяготения, но и замедление хода времени в сильных гравитационных полях. Было установлено, что при прохождении сигнала вблизи Солнца, его задержка составила 0,0002 с. Общая теория относительности допускает полную остановку времени в очень сильном поле тяготения, например, вблизи предполагаемых сверхплотных космических объектов, испытывающих сверхсжатие, т. н. черных дыр.

Представления о пространстве и времени, сформулированные в теории относительности, на сегодняшний день являются наиболее последовательными. В настоящее время ученые предполагают существование кванта пространства (фундаментальная длина L) и кванта времени, равного отношению L/c, ограничивающего точность определения временных интервалов.

Все свойства пространства и времени можно разделить на две большие группы. К всеобщим относятся такие пространственно-временные характеристики, которые проявляются на всех известных структурных уровнях материи, тогда как специфические свойства проявляются лишь на отдельных структурных уровнях.

К всеобщим свойствам пространства и времени относятся:

1. Объективность и независимость от сознания человека;

2. Абсолютность, т. е. проявление на всех структурных уровнях материи;

3. Неразрывность между собой и с движущейся материей;

4. Единство непрерывности и прерывистости в их структуре;

5. Количественная и качественная бесконечность, неотделимая от структурной бесконечности материи.

Вместе с тем, пространство и время имеют специфические свойства. К специфическим свойствам пространства относятся:  протяженность;  непрерывность и связность (как отсутствие разрывов);  трехмерность (длина, ширина, высота);  наличие пространственной формы тел, их расположение в пространстве;  наличие симметрии или асимметрии;  изотропность (отсутствие верха, низа и др.);

 К специфическим свойствам времени относятся:  длительность;  единство прерывного и непрерывного;  необратимость;  одномерность (линейная последовательность событий: от прошлого через настоящее к будущему);  конкретная длительность существования материальных систем (время от их возникновения до распада, ритмы, циклы); неодновременность событий в разных системах.

9

Принципы симметрии и законы сохранения

Принципы современной физики - это общие законы, влияющие на все физические процессы и формы движения материи. Среди всей группы физических принципов важнейшим является принцип симметрии, на основе которого действуют законы сохранения физических величин.

Симметрия в физике - это свойство физических величин оставаться неизменными при определенных преобразованиях.

Принципы симметрии делятся на 1) внешние или пространственно-временные и 2) внутренние симметрии.

К внешним симметриям относятся:

1. Однородность времени, т.е. объективная равноправность всех моментов времени, следовательно что любой момент времени можно взять за начало отсчета и из этого вытекает закон сохранения энергии.

2. Однородность пространства, т. е. равноправие всех его точек. Сдвиг в пространстве какой-либо системы не влияет на процессы внутри нее. Из этой симметрии вытекает закон сохранения импульса.

3. Изотропность пространства, т. е. одинаковость его свойств по всем направлениям, из этого следует закон сохранения момента импульса.

4. Принцип относительности, определяющий одинаковость законов природы во всех системах отсчета, из него вытекает закон сохранения скорости движения центра масс.

Обратимость процессов во времени - действует только на уровне макромира. Фундаментальные физические законы не изменяются при обращении знака времени. На уровне микромира наблюдается необратимость процессов. Считают, что это связано с неравновесным состоянием Вселенной.

Зеркальная симметрия природы - не изменяет физических законов любого природного объекта.

Зарядовое сопряжение - замена частиц на античастицы не изменяет природных процессов.

Зеркальная симметрия и зарядовое сопряжение сохраняется только при сильных и электромагнитных взаимодействиях, тогда как остальные симметрии выполняются при любых взаимодействиях.

К внутренним симметриям относятся:

1.Неизменность суммы электрических зарядов элементарных частиц. В этом состоит закон сохранения электрического заряда.

2.Постоянство числа тяжелых частиц и античастиц ядра (барионов) не изменяется при любых процессах.

3.Неизменность числа лептонов и антилептонов (легких частиц) при превращениях элементарных частиц.

4.Изотопическая инвариантность - связана с сильным ядерным взаимодействием между протонами и нейтронами. Эти частицы различаются только наличием положительного заряда у протона. При сильных взаимодействиях они выступают как одна частица. Поэтому Гейзенберг предложил рассматривать протон и нейтрон как два разных состояния одной частицы - нуклона. Атомы, ядра которых различаются только числом нейтронов, называются изотопами, поэтому данный тип симметрии получил название изотопической.

 На основе теорий Большого объединения - объединения электромагнитного, слабого и сильного взаимодействий и Суперобъединения физики пришли к идее суперсимметрии, т. е. симметрии, объединяющей все типы элементарных частиц в единое целое на основе теории суперструн и геометрии искривленного пространства.

10

Положения и принципы квантовой механики

Законы квантовой механики оказались совершенно не похожими на законы механики классической. Оказалось, что все процессы в микромире носят вероятностный характер. Например, невозможно точно определить траекторию движения частицы, её местоположение и другие параметры. Можно лишь говорить о вероятностном значении тех или иных параметров. Математически эти законы были оформлены немецким физиком Вернером Гейзенбергом (1901-1976). Он вывел закон, названный законом соотношения неопределённостей, согласно которому невозможно одновременно установить точные значения местоположения элементарной частицы и её импульс Квантовая механика окончательно разрушила господствовавшую в механистической картине мира уверенность в универсальной применимости принципа детерминизма. В квантовой механике можно говорить лишь о вероятности явлений. Квантовая механика показала, что невозможно построить объективную картину физической реальности, ибо никакие ухищрения не позволят устранить влияние на картину мира субъекта - наблюдателя реальности. Теоретическое описание объекта неизбежно будет зависеть от способа его наблюдения, тем самым, наблюдатель становится неотъемлемой частью теории. Классическая для прежней теории познания схема субъектно-объектных отношений перестаёт здесь работать.

Основные принципы квантовой механики.

Фундаментальные физические теории и частные законы не являются абсолютно точным отображением действительности. По мере развития науки менее точные теории сменяются более точными, охватывающие более широкие круги процессов. Так происходит, когда динамические теории сменяются статистическими. В процессе утверждения основных идей квантовой механики были сформулированы следующие принципы, ставшие впоследствии общенаучными:

1. Принцип дополнительности сформулирован Н. Бором, он является результатом философского осмысления квантовой механики. Согласно принципу дополнительности Бора, «Для полного описания квантово-механических явлений необходимо применять два взаимоисключающих (дополнительных) набора классических понятий (частиц и волн)». Только совокупность таких понятии дает исчерпывающую информацию об этих явлениях как о целостных. Н. Бор подчеркивает, что все приборы, регистрирующие индивидуальные акты в микромире, являются макроскопическими, поскольку наши органы чувств не воспринимают микропроцессов. Сам человек - существо макроскопическое. Отсюда следует, что понятия, которыми мы пользуемся для описания явлений, - это макроскопические понятия, в терминах которых описывается работа приборов.

2. Частным выражением принципа дополнительности является соотношение неопределенностей Гейзенберга, согласно которому, чем точнее фиксирован импульс, тем большая неопределенность будет в значении координаты. Также соотносятся энергия и время.

11

Динамические и статистические закономерности природы. Принцип соответствия.

Динамические законы рассматривают Природу на основе принципа жесткого детерминизма – принципа причинности, согласно которому необходимость, отраженная в форме закона, выступает как абсолютная противоположность случайному. Динамические законы представляют собой первый низший этап в процессе познания окружающего мира, к ним относятся классическая динамика Ньютона, классическая равновесная термодинамика и классическая электродинамика Максвелла.

Статистические законы (статистическая или квантовая механика, статистическая термодинамика) обеспечивают более современное отображение объективны связей в природе: они выражают следующий, более высокий этап познания), имеют отношение к объяснению хаоса и порядка. Феномены порядка и беспорядка (хаоса) в природе объясняются в физике на основе законов (начал) термодинамики. Термодинамика - это раздел физики, изучающий тепловые явления.

Первое начало термодинамики называют еще законом сохранения энергии. Согласно этому фундаментальному закону, энергия сохраняется в изолированной системе. Ее количество всегда остается постоянным, превращаясь лишь из одной формы в другую - механическую, тепловую, внутреннюю. Внутренняя энергия складывается из движений атомов, энергии химических связей, электронов. Первый закон термодинамики утверждает, что тепло, сообщенное системе, расходуется на увеличение ее внутренней энергии. Закон не имеет исключений и доказывает принципиальную невозможность создания вечного двигателя первого рода, который совершал бы работу больше, чем подводимая к нему энергия.

Второе начало термодинамики запрещает существование вечного двигателя второго рода, т. е. машины, способной совершать работу за счет переноса тепла от холодного тела к горячему. Согласно этому закону, тепло не может самопроизвольно перетечь от холодного тела к горячему. Второй закон термодинамики указывает на существование двух различных форм энергии - теплоты как меры хаотического движения частиц и работы, связанной с упорядоченным движением. Работу всегда можно превратить в эквивалентное ей тепло, но тепло нельзя полностью превратить в работу. Таким образом, неупорядоченную форму энергии нельзя превратить в упорядоченную.

Мерой неупорядоченности в термодинамике является энтропия, которая всегда положительна, кроме случая с идеальным кристаллом при абсолютном нуле (-273 оС), но третье начало термодинамики говорит о недостижимости абсолютного нуля. Иногда используется отрицательная величина энтропии - негэнтропия, которая является мерилом упорядоченности системы. Рост негэнтропии соответствует возрастанию порядка, а энтропии - росту хаоса.

В соответствии со вторым законом термодинамики в изолированных системах, т. е. системах, не обменивающихся с окружающей средой энергией, неупорядоченное состояние (хаос) не может самостоятельно перейти в порядок. Таким образом, в изолированных системах энтропия может только расти. Эта закономерность получила название принципа возрастания энтропии. Согласно этому принципу, любая система стремится к состоянию термодинамического равновесия, которое отождествляется с хаосом. Поскольку увеличение энтропии характеризует изменения во времени замкнутых систем, то энтропия выступает в качестве своеобразной стрелы времени.

Из этого принципа вытекает пессимистическая гипотеза о тепловой смерти Вселенной, сформулированная Р. Клазиусом, в соответствии с которой:

 энергия Вселенной всегда постоянна;

 энтропия Вселенной всегда возрастает.

 Таким образом, все процессы во Вселенной направлены в сторону достижения состояния термодинамического равновесия, соответствующему состоянию наибольшего хаоса и дезорганизации. Все виды энергии деградируют, превратившись в тепло, и звезды закончат свое существование, отдав энергию в окружающее пространство. Установится постоянная температура лишь на насколько градусов выше абсолютного нуля. В этом пространстве будут разбросаны безжизненные, остывшие планеты и звезды. Не будет ничего - ни источников энергии, ни жизни.

Такая мрачная перспектива предсказывалась физикой вплоть до 60-х годов ХХ столетия, хотя выводы термодинамики противоречили результатам исследований в биологии и социальных науках. Так, эволюционная теория Дарвина свидетельствовала, что живая природа развивается преимущественно в направлении усовершенствования и усложнения новых видов растений и животных. История, социология, экономика, другие социальные и гуманитарные науки так же показывали, что в обществе, несмотря на отдельные зигзаги развития, в целом наблюдается прогресс.

Опыт и практическая деятельность свидетельствовали, что понятие закрытой или изолированной системы является достаточно грубой абстракцией, упрощающей действительность, поскольку в природе трудно найти системы, не взаимодействующие с окружающей средой. Противоречие стало разрешаться, когда в термодинамике вместо понятия закрытой изолированной системы ввели фундаментальное понятие открытой системы, т. е. системы, обменивающейся с окружающей средой веществом, энергией и информацией

Законы симметрии имеют однозначный, динамический характер, не допускающий статистического (вероятностного) разброса физических величин.

1. Принцип соответствия был сформулирован Н. Бором в 1923 г. Он определяется тем, что фундаментальные физические теории и законы не являются абсолютно точным отражением действительности. Каждая фундаментальная теория имеет определенные границы применимости. По мере развития науки менее точные теории заменяются более точными. Физические теории должны быть преемственны. Никакая новая теория не может быть справедливой, если не содержит предельного случая старой, оправдавшей себя в данной области. Так, классическая механика Ньютона правильно описывает движение в макромире при скоростях намного меньших, чем скорость света. Теория относительности справедлива для описания тел любых уровней с любыми скоростями. Каждая физическая теория является относительной истиной.

2. Принцип дополнительности возник в физике как попытка осознания противоречий микромира, связанных с открытием квантово-волнового дуализма. Согласно принципу дополнительности Бора, для полного описания квантово-механических явлений необходимо применять два взаимоисключающих (дополнительных) набора классических понятий - частиц и волн. Только совокупность таких понятий дает исчерпывающую информацию об объектах микромира.

Частным выражением принципа дополнительности является соотношение неопределенностей Гейзенберга. Элементарные частиц, совмещающие в себе одновременно свойства частицы и волны не могут рассматриваться как материальные точки. Поэтому их координаты, импульс и энергия могут быть заданы лишь приблизительно, на основе вероятностных законов. Поэтому в модели атома Бора электроны изображены как пространственные облака различной формы.

3. Принцип суперпозиции (наложения) имеет важное значение в физике, особенно в квантовой механике. Это допущение, согласно которому результирующий эффект представляет собой сумму эффектов, вызываемых каждым явлением в отдельности. Например, правило параллелограмма, которое применяется для сложения сил, действующих на тело. В классической механике этот принцип не универсален и выполняется лишь приближенно.

В микромире принцип суперпозиции является фундаментальным, в соответствии с ним складываются альтернативные, исключающие друг друга состояния. Например, при аннигиляция электрона и позитрона принцип суперпозиции допускает возникновение безмассовых незаряженных частиц - фотонов.

12

Физика Вселенной

Развитие научной космологии

Космология - атрофизическая теория, изучающая структуру и динамику развития Метагалактики, включающая в себя понимание свойств всей Вселенной.

1. Первой концепцией космологии можно считать геоцентрическую концепцию Птолемея, просуществовавшая в течение всего средневековья.

2. Основателем научной космологии считается Николай Коперник, создавший гелиоцентрическую модель Вселенной.

3. Классическая модель стационарной Вселенной была построена Исааком Ньютоном. Сущность этой теории можно выразить в следующих положениях:

  • Вселенная вечна, т. е. является бесконечной в пространстве и времени.

  • Пространство играет пассивную роль и является вместилищем небесных тел.

  • Количество звезд, планет и звездных систем во Вселенной бесконечно велико.

  • Движением планет и развитием небесных тел управляет закон всемирного тяготения.

  • Каждое небесное тело проходит длительную эволюцию и на смену погасшим светилам приходят новые.

Классическая модель Вселенной была признанной в науке вплоть до начала ХХ века.

4. В конце XIX в. Л. Больцман предложил вероятностную гипотезу развития Вселенной. По его мнению, Вселенная почти всегда пребывает в состоянии тепловой смерти, но иногда в некоторых ее областях возникают крайне маловероятные отклонения от обычного состояния (флуктуации). Таким участком является Земля и весь видимый космос. В целом Вселенная - это мертвый океан с небольшими островками жизни.

Три космологических парадокса: фотометрический, гравитационный и термодинамический - заставили ученых усомниться в бесконечности и вечности Вселенной.

5 В 1917 г. А. Эйнштейн выступил с гипотезой о стационарной Вселенной. Из расчетов Эйнштейна следовало, что Вселенная является четырехмерной сферой. Таким образом, Вселенная конечна по объему, как поверхность любой сферы, и не имеет границ. Количество звезд и звездных систем Вселенной, хотя и огромно, но конечно. В соответствии с теорией Эйнштейна, Вселенная не вечна и развивается в направлении тепловой смерти.

6 В 1922 году российский физик Александр Фридман сформулировал гипотезу о нестационарности Вселенной. По его мнению, Вселенная непременно должна расширяться, причем расширяться должно пространство.  Доказательства в пользу модели расширяющейся Вселенной были получены в 1926 г., когда Д. Хабблом, открыл красное смещение, т. е. увеличение длин волн у наблюдаемых небесных объектов вследствие их удаления друг от друга. После этого открытия в космологии утвердилась модель расширяющейся Вселенной.

Современное естествознание объясняет возникновение Вселенной с помощью теории Большого взрыва, согласно которой примерно 15 млрд. лет назад наша Вселенная была сжата в комок, в миллиарды раз меньший булавочной головки, ее радиус практически был равен нулю, а плотность близка к бесконечности. Такое состояние получило название сингулярного - бесконечная плотность в точечном объеме. В состоянии сингулярности кривизна пространства и времени становится бесконечной, а сами эти понятия теряют смысл. В этом состоянии вещества в нем могут возникать сильнейшие напряжения и отрицательное давление, равносильное гравитационному отталкиванию огромной величины. Неустойчивое исходное состояние хаоса привело к взрыву, породившему скачкообразный переход к расширяющейся Вселенной.

Развитие Вселенной. Самый ранний этап развития Вселенной занимает ничтожно малый промежуток времени - до 10-33 с после взрыва. С началом стремительного расширения во Вселенной возникает пространство и время. Вселенная раздувается до гигантского пузыря, превышающего на несколько порядков радиус современной Вселенной. Частицы вещества в этот период полностью отсутствуют. К концу этой фазы инфляции Вселенная была пустой и холодной.

После инфляции начался горячий этап в развитии Вселенной. Всплеск тепла был обусловлен огромным запасам энергии, заключенным в «ложном» вакууме. После распада вакуума его энергия выделилась в виде излучения, разогревшую Вселенную до 1027К. При этой температуре лептоны и кварки были неразличимы, свободно превращаясь друг в друга. Существовал единый тип взаимодействия, в котором роль частицы-посредника выполнял Х-бозон - тяжелая частица, превышающая массу протона в 1014 раз.

Отделение сильного взаимодействия от электрослабого произошло через 10-33 с после «начала». Х-бозон распался на глюоны и безмассовый бозон - переносчик электрослабого взаимодействия. После прекращения переходов кварков в лептоны, число частиц несколько превысило число античастиц, нарушив симметрию мира. Это в дальнейшем определило развитие вещества Вселенной - галактик, звезд, планет и т. д.

Разделение электрослабого взаимодействия на слабое и электромагнитное произошло в на 10-10 с, когда температура снизилась до 1015К. Электрослабый бозон разделился на фотон и три тяжелых векторных бозона. С этого момента во Вселенной стали существовать все четыре типа фундаментальных физических взаимодействия - гравитационное, электромагнитное, слабое и сильное.

Слияние кварков в адроны происходит при снижении температуры до 1015К.

Ранний период развития Вселенной завершается лептонно-фотонной эрой. Частицы и античастицы аннигилируют, порождая фотоны и энергию. Такое состояние было через 0,01 с после начала развития.

Отделение нейтрино и антинейтрино от газовой смеси произошло в течение первой секунды, когда температура снизилась до 10 млрд. градусов.

Соединение и аннигиляция электронов и позитронов возникло на 14 секунде развития, при снижении температуры до 3 млн. градусов. Избыток электронов компенсировал положительный заряд протонов. Часть протонов превратилась в свободные нейтроны, определив их соотношение 8:1. Установившаяся пропорция сохранилась до настоящего времени. Такое же соотношение во Вселенной водорода и гелия. Формирование ранней Вселенной завершилось спустя 3 минуты 2 секунды от начала развития.

Нуклеосинтез, т. е. соединение протонов и нейтронов в ядра, начался при падении температуры до миллиарда градусов. Через полчаса после «начала» барионное вещество (ядра атомов) состояло из 28 % гелия, остальная часть - ядра водорода (протоны). Вещество составляло лишь ничтожную часть Вселенной. Основными же ее компонентами были фотоны и нейтрино.

Этап медленного остывания продолжался почти 500 тысяч лет. Вселенная, оставаясь однородной, становилась все более разреженной. Когда она остыла до 3 тысяч градусов ядра водорода (протоны) и ядра атомов гелия уже могли захватывать свободные электроны, и превращаться в нейтральные атомы водорода и гелия. Излучение отделилось от атомарного вещества и образовало реликтовое излучение. В настоящее время оно сохранилось в виде радиоволн сантиметрового диапазона, которые равномерно поступают из всех точек небосвода и не связаны с каким-либо радиоисточником.

В результате возникла однородная Вселенная, представляющая собой смесь трех субстанций: лептонов (нейтрино и антинейтрино); реликтового излучения; вещества (атомов водорода, гелия и их изотопов).

 По современным оценкам, переход от однородной Вселенной к структурной занял от 1 до 3 млрд. лет. Предполагается, что в расширяющейся Вселенной случайно возникают уплотненные участки, в которых плотность постепенно возрастает. Появление таких уплотнений стало началом рождения во Вселенной крупномасштабных структур.

Важнейшим узловым этапом эволюции Вселенной стало образование всей совокупности химических элементов. Они появились в звездах в ходе звездного нуклеосинтеза.

Следующим важнейшим этапом в формировании структур Вселенной является объединение атомов химических элементов в молекулы. В межзвездной среде встречаются молекулы водорода, мельчайшие пылинки, в основе которых находятся кристаллы льда или углерод с примесью различных соединений. Молекулярный водород вместе с гелием образует газовые межзвездные облака, а скопления газов вместе с пылинками - газово-пылевые облака.

Физика Земли. Возраст 5х109 лет

Геосферы Земли – оболочки Земли:

  1. Атмосфера h=2000 км, 50% массы – до высоты 5-6 км.,

    1. Тропосфера h=10-18 км, t: от +20 град. до -55 град.

    2. Стратосфера, h=50 км

    3. Мезосфера h=80 км, поглощает у/фиолет

    4. Ионосфера h=800 км.

    5. Экзосфера h=2000 км.

  2. Магнитосфера

  3. Литосфера – твердая оболочка Земли

    1. Земная кора с частью подстилающей мантии –литосфера h=100 км (35-65 км на континенте

h=6-8 км под океаном)

    1. Мантия h=120-150 км. На континенте

h=40-400 км под океаном

    1. Астеносфера – мантия глубокой вязкости до h=410 км.

    2. Внешнее земное ядро h=2900 км

Внутреннее земное ядро h=1250 км 80% железа, 20% - никель

Геодинамические процессы – обуславливают видоизменение земной коры и ее поверхности.

  1. Эндогенные процессы вызваны внутренними силами Земли: а) движение тектонических плит; б) Вулканическая деятельность; в) Землетрясения.

2. Экзогенные процессы происходят на поверхности Земли или на небольшой глубине в земной коре и обусловлены энергией солнечного излучения, гравитацией и жизнедеятельность организмов. Это процессы: а) Выветривание- процессы механического разрушения и химического изменения горных пород и минералов под влиянием атмосферных явлений, грунтовых и поверхностных вод, жизнедеятельности растительных и животных организмов и продуктов их разложения. С выветриванием связан важный процесс почвообразования. б) Флювиальные процессы – совокупность процессов, осуществляемых текучими поверхностными потоками. Их результат – размыв водными потоками земной поверхности , они развиваются в речных бассейнах; в) Гляциальные процессы - обусловлены деятельностью льда, т.е. современным и прошлыми оледенениями. Г) Гравитационные процессы – процессы медленного сползания слоев донных осадков океанического дна под действием силы тяжести.



Скачать документ

Похожие документы:

  1. Тема задания (2)

    Документ
    Динкевич С.З., Иоффе М.И. «Приведение симметричных разреженных матриц высокого порядка к ленточному виду с минимальной шириной ленты», сб. Пространственные конструкции в Красноярском крае, №11, 1978, стр.
  2. Тема задания (3)

    Конспект
    Административные средства, экономические средства, денежно-кредитные, ускоренная амортизация, государственный сектор внешнеэкономическое регулирование.
  3. Темы Задание на выбор единственного ответа

    Документ
    Внутренне согласованная система институциональных характеристик, механизмов приспособления и устойчиво воспроизводящихся форм экономического взаимодействия
  4. Тема Задание по теме (1)

    Документ
    П.П. 70-71 , упр.41 ,417, 419. 11 Повторение изученного в 5-7 классах. П.П. 7 -80, упр.4 3,433, 43 ,44 ,45 ,458. Предмет ЛИТЕРАТУРА №п/п тема Задание по теме 1 Устное народное творчество.
  5. Тема Задание по теме (2)

    Документ
    1. Художественное произведение. Содержание и форма. Автор и герои. Прототип. Выражение авторской позиции. Выявление уровня литературного развития учащихся.

Другие похожие документы..