Концепции современного естествознания

Тема № 1. Естественнонаучная и гуманитарная культуры

1. Наука общезначима, то есть полученные знания пригодны для всех людей на Земле.

2. Язык науки — формулы и символы, которые понятны всем вне зависимости от национальности и языка.

3. В любом научном исследовании присутствуют элемент незавершенности — Никогда нельзя знать до конца. Нет абсолютной истины!

4. Наука внеморальна. Все, что исследуется морально и этически нейтрально. Учёный морален и отвечает за своё исследование.

5. Преемственность. Новые знания всегда соотносятся со старыми.

6. Наука достоверна: все научные выводы проходят неоднократную теоретическую и практическую проверку.

Динамика развития современной науки.

Развитие науки определяется внутренними и внешними факторами.

Внутренние — динамика развития самой науки внутри себя. (Отрицательный результат является результатом!) Скачкообразность развития науки (внутренний фактор).

Всегда имеется качественно отличие новой теории от старой (Может быть и полный отказ от теории [теплород]). Развитие происходит революционно!

Внешние — влияние государственной системы. Государство часто тормозит развитие науки.

Противоречивость современной науки.

Фрагментарность: изучение по частям, без влияния внешних факторов. Раньше способствовала развитию науки, теперь мешает. Анализ — прошлое, для современной науки характерен синтез, комплексность.

Примеры синтеза: биохимия, физхимия, экология.

Природе вредят незамкнутые циклы, например:

Крекинг нефти — бензин — ДВС — ВОЗДУХ!!!

Калифорнийский телескоп обошелся США в 18 миллиардов долларов.

В проект «Геном человека» ежегодно вкладывается 4−5 миллиардов долларов.

В развитых странах на науку затрачивается 3−4% ВВП. В РФ — 2,85% ВВП.

От развития науки зависит обороноспособность, производственный потенциал.

В XX-м веке объем научной информации удваивался каждые 10−15 лет, в XXI — 5−8 лет. Бурно сейчас развиваются биология, космонавтика.

В 1900;м году в мире было 100 тыс. учёных, а в конце XX в. было 5,5 миллионов — 1 из 800 землян.

Естествознание — это раздел науки, который изучает явления и законы природы.

Цель естествознания — описать, систематизировать и объяснить природные явления и процессы.

Найти причинно-следственную связь.

Основные: Механика, физика, химия, биология.

Смежные: физхимия, биохимия, биофизика.

Прикладные: Геохимия, география, палеонтология.

Концепции — это система взглядов на одну и ту же проблему с разных сторон. Современные концепции — это освещение наиболее перспективных направлений в естествознании.

Естественные науки — базисный фундамент экономики.

Тема № 2. Научный метод

· Естественные науки направлены на познание природы.

· Технические науки направлены на преобразование природы.

· Математические науки — исследование знаковых систем (модели).

· Фундаментальные науки направлены на изучение базисных структур мира: физика, химия, астрономия, биология…

· Прикладные науки направлены на решение практических задач по результатам фундаментальных исследований.

· Теоретические прикладные направлены на изучение научно-теоретических вопросов (Физика металлов, физика полупроводников).

· Практические прикладные направлены на решение прикладных задач (Металловедение, полупроводниковая технология).

· Прикладная наука выгоднее в плане субсидирования — даёт относительно быстрый оборот денег, поэтому субсидирование коммерческое тоже. Фундаментальные науки субсидируются только государством из-за больших сроков обращения (20, 50, 100 лет).

Сокращаются расходы на фундаментальные исследования.

Фундаментальные проблемы — проблемы, возникающие внутри самой науки, и разработка этих проблем поднимает науку на более высокий уровень развития, но извне может не требоваться.

Прикладные науки — основанные на требованиях извне.

Только фундаментальные исследования двигают науку вперед.

От государства выдвигается требование к фундаментальным наукам:

· Поддержка высокого уровня знаний в данной области науки.

Естествознание и религия — борьба духовное лидерство. Борьба исторически принимала очень жестокие формы. Преподавателями до XVI века были священнослужители. Первые светские преподаватели — Дарвин, Ломоносов.

В XVII веке церковь уничтожила более 50 000 «еретиков» — ведьм, учёных (алхимиков, астрономов).

Атеисты считают, что наука и религия несовместимы.

Наука и религия идут параллельно, у них разные объекты исследования.

Религия — это вера, объект — душа человека, поэтому обращена она внутрь человека.

В науке же объектом является реальный мир.

Требуется, чтобы церковь была отделена от управления государством.

У любого учёного, даже атеиста, есть вера, вера в то, что он делает, интуиция.

Суеверия не соотносятся ни с теологией, ни с наукой. Религия изучает догмы, не имеющие развития, в отличие от науки, которая ищет опытным путём и не основывается на вере, на догмах. Суеверия — остатки мистических и мифологических представлений, язычества.

Естествознание и философия.

Философский принцип — относительный характер понятий, законов, теорий всех наук, изучающих природу и общество.

Философское изучение мира в целом. Философские утверждения незыблемы и неопровержимы. Пример: В одну и ту же реку нельзя войти дважды.

Философия не требует эксперимента.

Основные законы природы связывают естествознание с философией:

· Причинно-следственная связь явлений.

· Любая научная истина относительна, но содержит элемент абсолютного.

· Закон перехода из количества в качество.

Тема № 3. История естествознания

Предмет естественнонаучного познания — постижение истины.

Предела для естественнонаучного познания не существует, то есть, процесс познания для человека развивается постоянно.

Истина — это правильное, адекватное отражение объективной действительности в сознании человека.

Поэтому любая истина объективна, то есть, не зависит от человека.

Качества:

1. Истина относительна, то есть, она отражает объект или явление природы только на данном этапе развития науки. Но любая относительная истина содержит элемент абсолютной, иначе наука не двигалась бы вперед.

2. Истина всегда конкретна. Знания об объекте относительны к определенным условиям его существования.

Критерий истины — практика и эксперимент. Если научная теория подтверждена практикой, то такая теория истинна. Практика включает производительную деятельность!

Практика — движущая сила научного познания. Она не даёт науке оторваться от реальности.

Все научное знание, как и истина, всегда относительно, то есть, абсолютного знания не существует.

Задача любого учёного — расширить интервал адекватности.

Методы естественнонаучного познания.

Метод — это совокупность действий и приёмов, с помощью которых достигается желаемых результат. Научный метод — это инструмент для получения научных результатов.

На каждом уровне научного познания свой метод:

· Эмпирический метод — наблюдение, измерение, эксперимент.

· Теоретический метод — построение моделей, вывод теорий, аксиома гипотеза.

Приёмы:

· Анализ (От общего к частному)

· Синтез (От частного к общему)

· Абстрагирование — отвлечение от несущественных свойств изучаемого объекта.

· Индукция — вывод общего на основе частного.

· Дедукция — выделение частного из общего.

· Классификация — разделение объектов на группы по определенным признакам.

· Математические приемы (в частности, статистические).

Применение математики в естествознании.

Формализация — это использование специальной символики, которая заменяет конкретные реальные объекты. Формализация в естествознании — математическое описание объектов и явлений.

Краткость, чёткость, компактность записи, информация в виде математических уравнений.

E=mc2

Формализация является методом теоретического познания.

Употребление химических символов:

Ca + Cl2 CaCl2

Употребление биологических символов:

aa AA

Математика — универсальный язык естествознания.

Платон в IV веке до н.э. организовал первую академию в честь рощи Акадима. На входе велел написать: «Не геометр да не войдёт сюда».

Галилео Галилей (XVI в.): «Книга природы написана языком математики».

Впервые в естествознании применил первым математику Птолемей — рассчитал геоцентрические орбиты.

Ньютон в классической механике применил дифференциальное и интегральное счисление для расчетов движения.

· Теорию вероятности и статистические методы хорошо описывают системы из большого количества частиц.

· Математическая логика (на 100 лет была забыта, в начале XX века нашла применение при создании логических машин, нашла своё место в кибернетике).

· Математическое моделирование (аналоговые устройства).

Аналоговые машины двигаются сейчас к созданию искусственного мозга.

Обобщения очень важны для развития науки (уравнения Максвелла).

Математический язык понимается как вид организованности Вселенной.

Существуют три вида:

1. Простейший вид организмов (уравнения, арифметика).

2. Ритмика первого порядка — математическая теория групп.

3. Ритмика второго порядка — слово.

Два первых вида наполняют Вселенную гармонией, чёткостью, третий наполняет Вселенную смыслом.

Естественнонаучная картина мира — это система важнейших принципов и законов, которыми можно описать окружающий мир в определенный период развития науки.

Уровни развития познания природы естествознанием.

1. Созерцательный уровень — общие представления об окружающем мире. Мир предстает чем-то целым, неразделенным. Нет эксперимента, только мысли, идеи, умозаключения. Демокрит, Сократ, Эпикур, Платон: «Практическая польза от наук второстепенна».

2. Аналитический — начало фрагментарности, появление эксперимента. Разделение природы на объекты. Галилей. Выделение физики, биологии, химии. Они находятся в иерархии:

Такое разделение провел Кекуле.

Фрагментарность привела к анализу, чего раньше не было.

3. Синтетический уровень — усугубление фрагментарности, приведшая к гранизцам наук — к синтезу (радиационная химия, биофизика…). Привело к получению общих уравнений, например, уравнений Максвелла.

4. Интеграционный — рождение универсальных теорий.

Основные этапы развития физики.

В древние века понятие «физика» подразумевало космос (греч.) — «порядок», отражение совершенного порядка на Земле.

Первое впечатление о Земле — что она плоская.

Первое понятие о космосе — эгоцентризм.

В V веке до н.э. Анаксимандр говорил, что Земля шар и ни на что не опирается, это уже геоцентризм.

В I веке до н.э. Птолемей математически рассчитал геоцентрическую модель.

В VI веке до н.э. Аристотель сказал, что вокруг Земли расположен хрустальный небосвод со звёздами.

Гелиоцентризм.

В III веке до н.э. Аристарх Клавдий из Самоса преполагал, что солнце неподвижно, и все вращается вокруг него.

В начале XVII века — 17 февраля 1600 года сожжен на костре Джордано Бруно.

Коперник (1473−1543) утверждал, что Земля — не центр мироздания, его учение было признано в 1835-м году.

Ньютон (1643−1727) создал дифференциальную и интегральную систему.

1687 г. — «Математические начала натуральной философии».

XIX век — открытие поля (альтернативного вида материи).

В 1837 году Фарадей (1791−1867) открыл электромагнитное поле.

В 1877 году Максвелл создал первую объединенную теорию — объединил электричество, магнетизм и оптику.

Современная физика — конец XIX века — открытие рентгеновских лучей, микромира.

Квантовую механику впервые доложил 14 декабря 1900 года Макс Планк — энергия излучения не постоянна, а дифференцирована — излучается квантами.

E=h

В 1905 году Эйнштейн получает Нобелевскую премию.

Тема № 4. Панорама современного естествознания

Фундаментом естественнонаучной картины мира (ЕНКМ) являются общие понятия:

· Материя

· Движение

· Время

· Пространство

· Взаимодействие

Материя (физ.) — это все то, что прямо или косвенно (опосредованно) воздействует на органы чувств человека.

Материя (философ.) — это реальность, данная нам в ощущениях и независимая от человека.

Движение — это любое изменение, которое происходит с материальными объектами в результате их взаимодействий. Материя не существует без движения.

Движение — это необъемлемое свойство материи. Материя не существует без форменного состояния, она дискретна.

Тело молекулы атомы протоны, нейтроны, электроны кварки

В современной физике различают три вида материи:

1. Вещество

2. Поле

3. Физический вакуум (экспериментально обнаружен в ускорителях в 50-х гг. XX)

Вещество — это любые материальные объекты, имеющие массу. Кроме массы может быть электрический заряд. Элементарные частицы (нейтрино имеют массу, 2002 год).

У вещества есть четыре агрегатных состояния:

1. Твердое

2. Жидкое

3. Газообразное

4. Плазма

Состояние материального объекта характеризуется физическими величинами, или параметрами состояния: координаты, энергия, температура, масса, спин, энтропия, состав.

Переход от одного состояния к другому есть движение материи.

Виды движения:

1. Механическое

2. Колебательное и волновое

3. Тепловое

4. Процессы переноса (диффузия, теплопроводность)

5. Фазовые переходы

6. Радиоактивный распад

7. Химические и ядерные реакции

8. Эволюция живых организмов

9. Метаболизм

Поле — особое состояние среды, в каждой точке которой заданы параметры, которые характеризуют состояние вещества и которые непрерывно и плавно меняются от точки к точке.

Поле является материальным фактором, который приводит к взаимодействию тел.

В макромире поле противоположно веществу (не имеет массы, непрерывно и т. п.).

В микромире нет раздельно поля и вещества, там присутствует корпускулярно-волновой дуализм.

Физический вакуум — самое низшее энергетическое состояние квантового поля. Среднее число частиц в вакууме равно нулю. Там существуют виртуальные частицы со временем жизни 10−18 с. Вакуум «кипит» этими частицами, но они обладают низкой энергией.

Дополнение от автора конспекта:

Одной из особенностей вакуума является наличие в нем полей с энергией, равной нулю и без реальных частиц. Это электромагнитное поле без фотонов, это пионное поле без пи-мезонов, электронно-позитронное поле без электронов и позитронов.

Но раз есть поле, то оно должно колебаться. Такие колебания в вакууме часто называют нулевыми потому, что там нет частиц. Удивительная вещь: колебания поля невозможны без движения частиц, но в данном случае колебания есть, а частиц нет! Как это можно объяснить? Физики считают, что при колебаниях рождаются и исчезают кванты. Колеблется электромагнитное поле — рождаются и пропадают фотоны, колеблется пионное поле — появляются и исчезают пи-мезоны и т. п. Физика сумела найти компромисс между присутствием и отсутствием частиц в вакууме. Компромисс такой: частицы рождаются при нулевых колебаниях, живут очень недолго и исчезают. Однако, получается, что частицы, рождаясь из «ничего» и приобретая при этом массу и энергию, нарушают тем самым неумолимый закон сохранения массы и энергии. Тут вся суть в том «сроке жизни», который отпущен частицам: он настолько краток, что «нарушене» законов можно лишь вычислить теоретически, но экспериментально это наблюдать нельзя. Родилась частица из «ничего» и тут же умерла. Например, время «жизни» мгновенного электрона, примерно, 10−21 секунды, а мгновенного нейтрона 10−24 секунды. Обычный же свободный нейтрон живет минуты, а в составе атомного ядра даже неопределенно долго, как и электрон, если его не трогать.

Поэтому частицы, живущие так мало, что этого в каждом конкретном случае и заметить нельзя, назвали, в отличие от обычных, реальных, — виртуальными. В точном переводе с латыни — возможными. Но считать, что данные частицы только возможны — неверно. Эти «возможные» частицы в вакууме вполне реально воздействуют, как это наблюдается в точных экспериментах, на вполне реальные образования из безусловно реальных частиц и даже на микроскопические тела. И если отдельную виртуальную частицу физика обнаружить не может, то суммарное их воздействие на обычные частицы фиксируется отлично.

Наблюдать воздействие вакуумных виртуальных частиц оказалось возможно не только в опытах, где изучаются взаимодействия элементарных частиц, но и в эксперименте с макротелами. Две пластины, помещенные в вакуум и приближенные друг к другу, под ударами виртуальных частиц начинают притягиваться. Этот факт открыт в 1965 году голландским теоретиком и экспериментатором Гендриком Казимиром.

По сути, абсолютно все реакции, все взаимодействия между реальными элементарными частицами происходят при непременном участии вакуумного виртуального фона, на который элементарные частицы, в свою очередь, тоже влияют.

Оказалось также, что виртуальные частицы возникают не только в вакууме. Их порождают и обычные частицы. Электроны, например, постоянно испускают и тут же поглощают виртуальные фотоны.

Физический вакуум проявляется только при достаточно большой энергии — виртуальные частицы начинают взаимодействовать с реальными частицами.

e- + - 2 + Q

Современный тезис: Физический вакуум является основой Вселенной (1990;е гг.)

Тема № 5. Корпускулярная и континуальная концепции описания природы

Время и пространство — это формы существования и движения материи.

Самые первые представления относятся к древним векам, это субъективные понятия.

Время выражает порядок смены физических состояний материальных тел, поэтому время универсально и объективно вне зависимости от человека.

Субъективно то, что можно измерить с помощью часов. В качестве отсчета может быть принят любой циклический процесс, например, вращение Земли.

Постулат времени: одинаковые во всех отношениях явления происходят за одинаковое время. Эталон точности на данный момент составляет 10−11 с.

В классической механике Ньютон создал понятие истинного (абсолютного) времени, или математическое время — это время, которое течёт равномерно и не зависит от каких-либо физических процессов.

По Эйнштейну, время относительно, абсолютного времени

По теории относительности:

1. Существует релятивистское замедление времени при скоростях, близких к скорости света.

2. Гравитационное замедление времени (внутри чёрной дыры время останавливается).

По Ньютону время является обратимым, по современным представлениям время необратимо, относительно и одномерно.

В пространстве физические тела занимают объем и движутся друг относительно друга.

Пространство выражает порядок сосуществования физических тел.

Пространство (быт.) — это некая протяженная пустота, в которой могут находиться материальные тела.

Первая концепция пространства — III век до н.э. — Евклид создал свою геометрию. Его концепция не связана на с временем, ни с физическими явлениями — она чисто математическая. Была дополнена в XVIII веке Декартом, который ввел трехмерную систему координат (стереометрия) и определил пространство как однородное и изотропное.

Однородность — это свойство материальной системы, которое не зависит от ее перемещения в пространстве.

Изотропность — это свойство материальной системы, которые одинаково при её движении во всех направлениях. Ньютон ввел в классическую механику понятие абсолютного пространства, то есть, существующего независимо оттого, находятся там материальные тела или нет. Реального абсолютного пространства нет! В современной физике пространство так же относительно, как и время.

Вторая концепция пространства появилась в начале XIX века. Я. Бальяй, К. Гаусс (сер. XIX), Н. И. Лобачевский (сер. XIX) независимо друг от друга пришли к разработке неевклидовой геометрии. В отличие от Евклидовой, не соблюдается постулат о параллельных прямых (Сколько угодно прямых, параллельных данной). Евклидовой геометрии было отведено место частного случая (Прим. авт. консп.).

В 60-е гг. XIX века Риман создал сферическую геометрию. Геометрии Лобачевского было отведено место частного случая (Прим. авт. консп.).

Евклидова геометрия применима для макромира, неевклидова для мегамира, для искривленного пространства — римановская.

В классической пространство, время и материя не связаны друг с другом.

В релятивистской механике пространство и время объединены в пространственно-временной континуум. Эйнштейн ввел временную координату. Эйнштейн отчасти заимствовал наработки Минковского в области создания четырехмерного мира. Но Минковский не смог объяснить происхождение искривленного пространства. Четырехмерный мир неощутим для людей. Еще Галилей сказал, что для измерения движения нужно взять систему отсчёта времени. Система отсчета — это совокупность декартовых координат и часов. Это говорит о том, что движение тела всегда относительно движения других тел и связано со временем.

Специальная теория относительности (1905) показала, что не абсолютного пространства и абсолютного времени, все они относительны какой-либо системы отсчета.

Общая теория относительности (1915) показала, что евклидова геометрия непригодна для описания тел с большими массами и размерами.

Тема № 6. Порядок и беспорядок в природе. Хаос

В классической механике при переходе от одной системы к другой время течёт одинаково для обеих систем, и события происходят одновременно. Для макромира это правильно, для мегамира нельзя пренебрегать задержкой времени. Между Москвой и Санкт-Петербургом световой сигнал идет 0,002 секунды. Скорость света (константа) является ограничительным фактором (например, свет от квазара, расположенного на расстоянии 12 миллиардов световых лет). Эйнштейн все свои вычисления основывает на постоянстве скорости света в вакууме с?3•108 м/с. Поэтому время в СТО относительно како-то системы отсчета.

Эйнштейн сформулировал и сам же потом опроверг парадокс близнецов.

t2 — t2 = t =

t — промежуток времени, в течение которого близнец на Земле принимает световой сигнал с космического корабля.

— промежуток времени, в течение которого близнец, находящийся в космосе, посылает световой сигнал с корабля.

Относительность длины

Взаимосвязь массы и скорости

Ни одно материальное тело, имеющее массу покоя, не может двигаться быстрее скорости света. Теория относительности допускает существование частиц, двигающихся со скоростью света.

Связь энергии и массы.

E=mc2

E0=m0c2

E=mc2

Явление аннигиляции: e- + - 2 + Q

1901 г. — обнаружение увеличения массы электрона, движущегося ускоренно.

ОТО впервые была опубликована в 1915 году.

Постулаты общей теории относительности (ОТО).

1. Все тела отсчета, инерциальные и неинерциальные, равноценны для описания движения материальных объектов. Инерциальная система — движущаяся равномерно и прямолинейно, неинерциальная — движущаяся с ускорением.

2. Эйнштейн разработал полевую теорию тяготения, предположив существование гравитационного поля.

Классическая механика опиралась на принцип дальнодействия — взаимодействие между предметами происходит мгновенно. Это возможно, так как в классической механике скорость света была бесконечной величиной.

Эйнштейн сказал, что два тела взаимодействуют друг с другом по принципу близкодействия (через частицы). Частицы, предположительно несущие гравитационное взаимодействие называют гравитонами.

В сильном поле тяготения происходит искривление пространственно-временного континуума. Чем больше масса, тем сильнее искривление пространства.

Гравитационный радиус — радиус, который нужен, чтобы стать черной дырой.

Для каждой массы существует свой определенный радиус, при сжатии до которого сила тяготения стремилась к бесконечности. Такой радиус в теории был назван гравитационным радиусом. Гравитационный радиус тем больше, чем больше масса тела. Но даже для астрономических масс он очень мал: для массы Земли это всего один сантиметр. (Прим. авт. консп.)

Тема № 7. Структурные уровни организации материи; макро-, микро и мегамиры

Аристотель в III веке до н.э. говорил, что вещество можно делить на все более мелкие части сколько угодно (Гипотеза непрерывности вещества).

(Гипотеза прерывности вещества)

Понятие о молекуле, как о мельчайшей частице вещества ввел Ломоносов, назвав их корпускулами.

В конце XIX века Жан Батист Перрен доказал существование молекул при помощи броуновского движения.

Молекула — наименьшая частица вещества, сохраняющая его химические свойства и состоящая из атомов, соединенных между собой химическими связями.

Радиоактивность.

1896 год — Беккерель открыл радиоактивность. Изучая действие различных люминесцирующих веществ на фотопластинку, в частности, солей урана, открыл неизвестное излучение, присущее самой урановой соли и не имеющее ничего общего с люминесцирующим излучением. Это явление самопроизвольного излучения солями урана лучей особой природы было названо радиоактивностью. (Прим. авт. консп.)

1898 год — Томсон открыл электрон.

1911;1913 — Резерфорд открыл протон.

1932 — Чедвик открыл нейтрон.

Сер. 1960;х гг. коллектив учёных открыл сложную структуру нейтронов и протонов. Частицы, их образующие, были названы кварками.

На данный момент предела делимости материи нет.

Считается, что все виды материи имеют дискретную (зернистую) структуру, в том числе поле и физический вакуум.

Дискретность полей доказана экспериментально. (Например, электромагнитное поле распространяется фотонами).

Даже пространство и время по квантовой теории имеют дискретную структуру (пространственно-временная хаотически движущаяся «пена», состоящая из ячеек размером 10−35 м и 10−43 с).

Тем не менее, материя смотрится сплошной и непрерывной. Если мы описываем расположение в пространстве системы, её агрегатное состояние, то мы учитываем свойства материи, её непрерывность. Если же мы описываем химические связи вещества, если рассматриваем природу тепловых, электрических явлений, то мы рассматриваем дискретную структуру, учитываем прерывность материи.

Непрерывность материи и её дискретные свойства неразделимы.

Существует закон сохранения, связанный со свойствами пространства и времени. Декарт сказал, то пространство изотропно и однородно. Однородность пространства объясняется параллельным переносом тел.

Принцип инвариантности (неизменности). Связан со сдвигом в пространстве и времени — неизменность преобразования материального объекта в пространстве.

Движение материальных тел в пространстве связано с законами симметрии.

Симметрия всегда проявляется при изменении расположения тел в пространстве.

Г. Вейль в начале XX века: Симметричным называется предмет, который можно изменить в пространстве так, чтобы получить то, с чего начинали.

Симметрия проявляется в кристаллах, раковинах моллюсков, листьях растений.

Плоскость симметрии:

Зеркальная (хиральная) симметрия (рука, лапа, изомеры, глюкоза, молочная кислота). Самое древнее изображение симметрии — орнамент, например, мозаичные структуры встреч у крокодила, черепахи.

Симметрия — эстетический принцип, когда дублируется рисунок. Очень большое значение она имеет для архитектуры.

На востоке симметрия особо почиталась. Западное искусство всегда отступало от симметрии.

Симметрия создает в системе устойчивость. Симметричная система всегда сопротивляется введению динамичных элементов, следовательно, она является тормозом для эволюции. Ход эволюции материальных систем — это единство и борьба противоположностей (симметричности и асимметричности).

У живых организмов сохраняются наследственные признаки симметрии. Из однородности пространства следует закон сохранения импульса.

Импульс замкнутой материальной системы сохраняется, то есть, не изменяется с течением времени при параллельном переносе системы в пространстве. Если система открытая, то импульс сохраняется и для них, если геометрическая сумма всех сил, действующих на систему, равна нулю. Закону сохранения импульса подчиняется движение планет, галактик в мегамире; соблюдается для всех объектов макрои мегамира. Это фундаментальный закон природы.

Другое свойство пространства — это Изотропность. Из него следует тоже фундаментальный закон — закон сохранения момента импульса.

L=mvr

Момент импульса замкнутой системы сохраняется, то есть, не изменяется с течением времени. Для открытых — аналогично, если сумма всех сил, воздействующих на систему, равна нулю. Закону сохранения момента импульса подчиняются:

· В мегамире — вращение всех материальных объектов (планет, звезд, звездных систем, галактик)

· В макромире — вращение тел

· В микромире — вращение всех частиц

В пространстве существует однородность времени — это инвариантность физической величины материальной системы отсчета относительно выбора начала отсчета. Из однородности времени следует закон сохранения механической энергии.

В системе, в которой между телами действуют только консервативные силы, полная механическая энергия сохраняется, то есть, не зависит от времени. Если совершенная в системе работа не зависит от пути перехода тела из одного состояния в другое, то в системе действуют консервативные силы.

Реальных систем таких не существует. В такой системе происходит только взаимопревращение потенциальной и кинетической энергии, других превращений нет. При этом полная механическая энергия сохраняется.

Если система открытая, то в ней действуют диссипативные силы и полная механическая энергия не сохраняется, часть энергии переходит в излучение, тепло и т. п.

Вне зависимости оттого, действуют ли в системе диссипативные или консервативные силы, в любом случае энергия сохраняется, только переходит из одной формы в другую. Закон сохранения энергии (ЗСЭ) является фундаментальным законом природы.

Э. Нуттер в 20-е гг. XX века установил связь между законами сохранения и свойствами природы и времени. В то же время А. А. Фридман разработал на основании симметрии пространства и времени теорию возникновения Вселенной.

Законы сохранения связаны с математической теорией групп, применяемой в квантовой механике, которая и постулировала дискретность времени и пространства.

Волновая концепция в естествознании.

Волны звука, на воде, механические колебания, колебания струны, колебания в земной коре, электромагнитные волны.

Основные свойства волн:

1. Все волны обладают конечной скоростью. Скорость распространения волн зависит от среды.

· Скорость света в вакууме — 300 000 км/с

· Звук при 0С, Р=1 атм — 330 м/с

2. Все виды волн обладают импульсом.

3. Движение волн подчиняется принципу суперпозиции.

4. Все волны переносят энергию.

Любая колеблющаяся система, независимо от её физической природы, называется осциллятор.

· Существуют колебания с постоянной амплитудой — незатухающие.

· С точки зрения кинематики бывают периодические и непериодические колебания.

· По способу возбуждения бывают собственные и вынужденные.

· По направлению распространения — продольные и поперечные.

Продольные — сжатие и растяжение пружины, забивание гвоздя, распространение звука, кроме распространения в твердых телах. Человеческое ухо воспринимает звуковые колебания от 16 до 20 000 Гц.

Поперечные волны — частицы среды колеблются перпендикулярно направлению распространения волны. Например, колебание струны, в твердых телах даже звук распространяется поперечно (все волны в твердых телах поперечны), электромагнитные волны.

В природе встречаются плоские и трехмерные волны. Звуковые волны являются трехмерными, электромагнитные — плоскими.

Когда плоская волна попадает на препятствие, она преломляется — это явление дифракции.

Ф Гримальди (1665) впервые описал дифракцию.

Т. Гук и Х. Гюйгенс, XVII век — придерживались теории эфира.

Одна из работ Гюйгенса — «Трактат о свете».

Принцип Гюйгенса: Каждая точка среды, до которой доходит волна, является в свою очередь центром одной из элементарных вторичных волн, огибающая которых становится волновой поверхностью в следующий момент времени.

Гюйгенс доказал, что дифракция проявляется, если длина (диаметр) препятствия меньше или равен длине волны.

Идеи Гюйгенса были доработаны Френелем, он же дошёл до открытия интерференции. Интерференция — сложение двух или более волн одинакового периода, которые сходятся в одной точке. При наложении амплитуд может давать интерференционные максимумы и минимумы. Главным условием интерференции является когерентность волн (фиксированная разность фаз и одинаковая частота). Для наблюдения интерференции света требуется наличие двух волн от одного источника, но с геометрической разностью хода.

Явление интерференции наблюдается как для продольных, так и для поперечных волн любого типа.

Один из способов наблюдения — дифракционная решетка — решетка с 2000 штрихов на 1 мм. Даёт очень высокую разрешающую способность и используется для спектрографов. В сейсмологии при помощи дифракционной решетки улавливают смещение до 10−6 м. Интерференция применяется в просветленной оптике для уменьшения бликов и потерь энергии. В современных перископах сейчас проходит до 85−90% световых волн, раньше это число не превышало 30%.

Голография — голос (олос) (греч.) — полно, целиком.

Создана Габором в 1947;м году.

Спектры электромагнитного излучения атома

Радиоволны и радарное излучение в том случае, когда происходит изменение спина атома или ядра. Инфракрасное — за счет колебаний атомов в молекуле. Видимое, ультрафиолетовое — за счет квантовых переходов внешних электронов атома из возбужденного состояния в основное. Рентгеновское — за счет перехода электронов с внешних оболочек на внутренние. Гамма-излучение — связано с ядерными процессами и никак не связана с электронами.

Теория Бора является промежуточным звеном между классической и квантовой механикой.

Первый постулат был объяснен на основе уравнений де Бройля.

2рrn — длина окружности боровской орбиты.

Вывод: боровские (стационарные) орбиты — это такие орбиты, на которых укладывается целое число волн де Бройля.

Критерии применимости законов микро-, макрои мегамира.

1. Макромир: Законы классической механики. Главный критерий: v<

2. Мегамир: vc. Релятивистская механика.

3. Микромир: Квантовая механика — постоянная Планка.

Гейзенберг в 1926 году выдвинул принцип неопределенности.

Для частиц, обладающих корпускулярно-волновым дуализмом нельзя одновременно определить точно и координату и импульс. Чем точнее определяется координата, тем менее точно можно определить импульс.

Дx — это неопределенность, или неточность, нахождения координаты импульса.

Дpx — неопределенность, или неточность нахождения самого импульса.

Если это произведение сравнимо с постоянной Планка, то поведение частицы описывается квантовой механикой. Если это произведение велико, то есть, много больше постоянной Планка, то поведение частицы описывается классической механикой.

Ни для какого движения в природе это произведение не будет меньше постоянной Планка.

Одновременное изменение энергии и среднее время жизни возбужденной частицы также нельзя измерить одновременно.

ДE — средняя ширина энергетического уровня.

В 1926;м году Э. Шредингер вывел фундаментальное уравнение квантовой механики. Вывел волновое уравнение, в которое входит функция Ш (x, y, z), зависящую от всех трех координат движения электрона и являющуюся аналогом амплитуды. Волновое уравнение Шредингера выведено из уравнения поперечной волны классической физики. Функция, как и амплитуда, может быть положительной и отрицательной.

Ш2 представляет наибольший интерес. Квадрат волновой функции имеет определенный физический смысл. Квадрат функции характеризует вероятность нахождения электрона в данной точке атомного пространства с координатами x, y, z. Из уравнения Шредингера следует, что нельзя говорить о какой-то определенной боровской орбите, по которой движется электрон. Более правильно говорить об электронном облаке, а именно, о его наибольшей плотности в каком-то месте атома. И там, где плотность наибольшая, там и есть наибольшая вероятность нахождения данного электрона (ок. 90%). Пространство вокруг ядра, в котором наиболее вероятно находится электрон, называется орбиталью. Эти орбитали и есть решения уравнения Шредингера. Эти решения характеризуются тремя константами, которые Шредингер называл квантовыми числами n, l, m.

n — главное квантовое число, которое определяет размер атома (n от 1 до бесконечности) и показывает энергетический уровень электрона в атоме. Чем больше n, тем более высокой энергией обладает электрон. Если n>>1, то энергетический уровень образует не дискретный спектр, а сплошной, то есть, это уже объект макромира.

Принцип соответствия Бора: Законы квантовой механики при больших значениях квантовых чисел переходят в законы классической механики.

Вывод из этого принципа: всякая новая теория является развитием предыдущих теорий и полностью её не отвергает, а лишь указывает границы её применимости.

l — орбитальное (побочное или азимутальное) квантовое число. Характеризует (показывает) форму электронного облака и изменяется от 0 до (n-1), то есть, зависит от главного квантового числа. l определяет значение момента количества движения электрона по орбите.

l характеризует число подуровней на заданном энергетическом уровне.

Каждому значению l соответствует орбиталь особой формы.

Орбитали с l = 0 называются s-орбиталями,

l =1 — р-орбиталями (3 типа, отличающихся магнитным квантовым числом m),

l = 2 — d-орбиталями (5 типов),

l = 3 — f-орбиталями (7 типов).

m — магнитное квантовое число. Показывает ориентацию электронного облака в атоме при взаимодействии магнитного поля электрона с внешним магнитным полем и магнитными полями соседних электронов. m определяет число орбиталей на данном подуровне l (отl до +l).

Три квантовых числа n, l и m определяют волновые свойства электрона (следует из решения уравнения Шредингера).

s — квантовое число, называемое спин.

Частица с целым спином.

Принцип Паули: В атоме не может быть электронов, у которых все квантовые числа равны. Это связано с тождественностью частиц. В атоме не может быть двух электронов в одинаковых энергетических состояниях.

Принцип дополнительности Бора (сформулирован в 1927;м году): Получение экспериментальной информации об одних физических величинах, описывающих частицу, неизбежно связано с потерей информации о других величинах, дополнительных к первой.

Eкин Епот

v (x, y, z)

С точки зрения физика-экспериментатора это связано с влиянием макроприбора на микроскопический объект. С точки зрения квантовой механики определить одновременно основные свойства частицы и дополнительные к ним невозможно точно ни на каком приборе, так как частицы обладают корпускулярно-волновым дуализмом.

Принцип неопределенности Гейзенберга: увеличение точности определения положения частицы вызывает увеличение ошибки определения ее момента (энергии), если эти определения проводятся одновременно.

Принцип причинности (Связан с Лапласовским детерминизмом): Если мы знаем исходное условие (причину), то всегда можем определить следствие.

Квантовая механика основывается на теории вероятностей.

Ш0|Ш|2 — Квадрат функции показывает наибольшую вероятность местоположения данной частицы.

Макромир описывают 3 концепции:

1. Механическое движение системы описывается классической механикой Ньютона.

2. Внутреннее строение системы и её свойства описывает МКТ.

3. Процессы превращения энергии в системе описываются классической термодинамикой.

Основные положения молекулярно-кинетической концепции.

1. Атомы и молекулы находятся в непрерывном хаотическом тепловом движении. Интенсивность движения зависит от температуры, поэтому температура — хаотичности системы.

2. Между частицами существуют силы взаимодействия — притяжения и отталкивания. Природа этих сил — электромагнетизм.

3. В отличие от механического движения, нагревание и охлаждение систем может привести к изменению их физических свойств (фазовые переходы — жидкость, газ, твердое тело и т. п.). Фаза — это часть системы, имеющая границу и сохраняющаяся внутри основного физического свойства системы (Давлении, температуре, объеме).

Все эти положения экспериментально доказаны. Подтверждаются явлениями диффузии, броуновского движения и т. д. Количественное подтверждение этой концепции — газовые законы для идеальных газов.

Идеальный газ.

1. Расстояние между молекулами во много раз превышает размеры самих молекул, причем, размеры молекул применяются за материальную точку.

2. Между молекулами нет сил межмолекулярного взаимодействия.

Идеального газа не существует, но можно приблизиться к идеальному газу — при низком давлении и высокой температуре молекулы движутся, практически не задевая друг друга. Вещество звезд, находящихся на главной последовательности диаграммы Герцшпрунга-Рессела, на определенной глубине находится в состоянии, очень близком к идеальному газу, несмотря на высокую плотность (не стоит забывать об отсутствии «прикрепленных» к ядрам электронов). (Прим. авт. консп.)

Основное уравнение молекулярно-кинетической теории для идеального газа:

k — постоянная Больцмана.

Этот закон записан для одного моля газа.

— для n-ного количества молей. Если газ одноатомный.

Данный атом имеет три степени свободы (3 координаты, так как вращение вокруг собственной оси не учитывается. i=3

Если газ двухатомный, то i=5 (поступательное).

Если газ многоатомный, но молекула линейная, то степеней свободы будет 5, если многоатомный, но нелинейный, то 6. Все степени свободны являются равноправными и вносят одинаковый вклад в среднюю кинетическую энергию.

Основные газовые законы для идеальных газов.

В XVII веке был сформулирован закон Бойля-Мариотта, выражающий зависимость давления (P) от объема (V) при постоянной температуре (Т). (Изотермический).

PV=const

XVIII век, Шарль, закон для изохорного процесса, V=const.

XIX век, Гей-Люссак, изобарный процесс, P=const.

На практике же чаще всего все три параметра меняются одновременно.

Клапейрон вывел следующий закон:

Менделеев показал, что константой в данном случае будет универсальная газовая постоянная R=8,31

Обобщение из этого для одного моля газа приводит к уравнению:

PV=RT

PV=nRT

— закон, известный как уравнение Менделеева-Клапейрона.

Физический смысл универсальной газовой постоянной: R равна работе, которую совершает один моль газа при нагревании на 1 К при постоянном давлении.

Для реального газа действует уравнение Вандер-Ваальса (XIX век).

— учитывает силы взаимодействия между молекулами реальных газов, что приводит к усилению давления — к внешнему давлению газа присоединяется внутреннее давление между молекулами.

b — учитывает собственный объём молекул.

a и b можно определить только экспериментально.

Межмолекулярное взаимодействие электрически нейтральных молекул любого агрегатного состояния.

Точно так же выглядит график зависимости потенциальной энергии взаимодействия от расстояния между молекулами.

При приближении молекулы действуют две силы — притяжения и отталкивания.

Если Eкин движ>>Епотенц взаимод, то это газообразное состояние вещества.

Если Eкин движ<<�Епотенц взаимод, то это твердое состояние вещества.

Если Eкин движ? Епотенц взаимод, то это жидкое состояние вещества.

Существуют четыре агрегатных состояния вещества. При переходы из одного состояния в другое могут наблюдаться фазовые переходы двух видов.

· Фазовые переходы первого (I) рода — когда в узком интервале температур скачком изменяется давление, плотность или объем.

· Фазовый переход второго (II) рода — это изменение порядка расположения атомов и молекул в кристаллических решетках. При таком переходе резко изменяется плотность. Например, превращение белого олова в серое при -14°С, и кристаллическая решетка из тетраэдров становится кубами.

Четвертое состояние вещества — плазма. Плазма — это ионизированный квазинейтральный газ, занимающий настолько большой объем, что в нем не происходит сколько-нибудь заметного нарушения нейтральности Атом делится на электроны и положительные ионы. В зависимости от степени Ионизации газа различают:

1. Слабо ионизированную (низкотемпературную) плазму, б составляет доли процента, температура 1000−2000°С.

2. Умеренно ионизированную, б состоавляет несколько процентов, температура 5000−7000°С.

3. Сильно ионизированную (высокотемпературную), б=100%, температура 10 000 °C и выше.

Ионосфера представляет собой слабо ионизированную плазму. От нее отражаются радиоволны. В космическом пространстве плазма — это наиболее распространенное состояние вещества (все звезды, в которых идут термоядерные реакции, а таких большинство). В лабораторных условиях плазма образуется в различных формах газовых разрядов.

Основное применение молекулярно-кинетической теории:

1. Для разработки криогенной и вакуумной техники.

2. В космонавтике.

3. Исследование сверхпроводимости металлов.

4. Исследование нейтронных полей в ускорителях и ядерных реакторах (термоядерный синтез).

Тема № 8. Пространство, время. Принципы относительности. Принципы симметрии. Законы сохранения

Уравнения Максвелла.

В 1873 году Джеймс Максвелл опубликовал первый трактат, в котором впервые систематизировал все фундаментальные уравнения по электричеству и магнетизму. Но он был чистым теоретиком, и никогда не участвовал в экспериментах. В своей работе он обобщил закон Кулона по электростатике, теорему Гаусса (Постоянное магнитное поле не возбуждает электрическое поле, так как магнитных зарядов не существует), закон электромагнитной индукции Фарадея (Переменное магнитное поле порождает электрическое поле), уравнение Лапласа (Проводник с током создает вокруг себя магнитное поле).

Выводы из теории Максвелла:

1. Источник электрического поля — это постоянные электрические заряды, переменные магнитные поля (изменяющиеся во времени).

2. Источником магнитного поля являются движущиеся электрические заряды и переменные электрические поля.

3. Переменное магнитное поле возбуждает электрическое, а переменное электрическое поле возбуждает магнитное.

Переменные электрические и магнитные поля — это проявление единого электромагнитного поля, которое нужно рассматривать как вид материи. Электромагнитное поле обладает импульсом, энергией, а значит, должно обладать и массой, вывод о чем был сделан Максвелл, а доказано это было гораздо позже. Электромагнитное поле способно существовать в отсутствии электрических зарядов, и изменение его состояния носит волновой характер. То есть, электромагнитное поле — это электромагнитная волна, и для нее Максвелл вывел константу — скорость света в вакууме, скорость распространения электромагнитной волны в вакууме. Был сделан вывод, что свет — это электромагнитная волна.

Позже, в 1887 году Герц доказал это экспериментально.

Исходя из уравнения Максвелла, электромагнитные волны могут распространяться в любой среде (в отличие от классической механики) — жидкой, твердой, кристаллической, газообразной, вакууме.

с — скорость света

v — скорость распространения в среде

— диэлектрическая проницаемость среды, показывающая, во сколько раз напряженность электрического поля в вакууме больше напряженности в данной среде.

— магнитная проницаемость среды, показывает, во сколько раз магнитная индукция в среде больше или меньше магнитной индукции в вакууме.

— показатель преломления среды.

— уравнение, связывающее электричество, магнетизм и оптику.

Свет — это электромагнитная плоская поперечная волна. Свет проявляет следующие волновые свойства: дифракция, интерференция, дисперсия (зависимость показателя преломления от частоты света), поляризация.

Поляризация — свойство волны распределяться в изотропной среде. Если на пути поставить кристалл (например, турмалин), то идет поляризация («вырезается» часть волны, идущая в одной плоскости).

Поляризаторами являются, например, аминокислоты (левовращающие оптические изомеры), глюкозы (правовращающие). Все природные вещества оптически активны!

Усвояемость витаминов (искусственных) составляет 10−15%, и они не являются оптически активными.

Корпускулярные свойства света — свет имеет массу. Максвелл предположил, что свет имеет массу, так как есть импульс. Экспериментально это доказал в 1902 году русский учёных Лебедев, подтвердивший и обосновавший явление давления света. Он же обосновал космическое давление света (изменение направления хвостов комет под действием солнечного ветра).

Герц в 1887 году доказал, что свет имеет давление — явление фотоэффекта (вырывание электронов из атомов под действием света).

Макс Планк: E=h — Энергия кванта связана с частотой (цветом).

h=6,62•10−34 Дж•с

Эйнштейн назвал квант света фотоном.

E=mc2

E= h

mc2= h — Масса фотона, движущегося со скоростью света.

p=mc — импульс фотона.

Фотон — это и частица и волна, он обладает корпускулярно-волновым дуализмом, или корпускулярно-волновой двойственностью. Фотон проявляет одновременно два основных свойства материи. Позже было доказано, что это свойство присуще всем микрочастицам (на данный момент открыто более 350).

В 1923 году Луи де Бройль высказал предположение, что электрон обладает корпускулярно-волновым дуализмом.

Для фотона:

Для электрона:

Томсон определил массу электрона: me=9,11•10−31 кг.

Дэвис и Джермер в 1927 году доказали, что электрон обладает волновыми свойствами — свойствами интерференции и дифракции.

В 1932 году Чедвик выяснил, что протон имеет те же свойства.

Тема № 9. Взаимодействие, близкодействие, дальнодействие

Все модели исходили из того, что атом электронейтрален.

1. Томсон в 1897 году создал первую модель атома.

Ш?10−10 м

2. Х. Нагаока в 1903 году представил себе расположение электронов в атоме подобно кольцам Сатурна.

3. Резерфорд в 1911 сформулировал планетарную модель атома. Так в центре находится маленькое, но тяжелое ядро, а легкие электроны расположены на достаточно большом расстоянии от него.

1. При вращении электрон излучает энергию и должен упасть на ядро. Вывод: атом является неустойчивым, а на самом деле в настоящее время атом является самой устойчивой из известных систем. В этом и есть первое и главное противоречие, если рассматривать атом с точки зрения классической механики.

2. Должна непрерывно меняться частота, так как вращение равномерно, но у него непрерывный спектр излучения. Такой спектр дает вещество в твердом и жидком состоянии, на самом деле атом дает спектр