2015-05-26
770
етоды естествознания могут быть подразделены на следующие группы:
1). Общие методы, касающиеся любого предмета и любой науки. Это различные методы, дающие возможность связывать воедино все стороны познания, например, метод восхождения от абстрактного к конкретному, единства логического и исторического. Это, скорее, общефилософские методы познания.
2). Частные методы - это специальные методы, действующие либо только в пределах отдельной отрасли науки, либо за пределами той отрасли, где они возникли. Таков метод кольцевания птиц, применяемый в зоологии. А методы физики, использованные в других отраслях естествознания, привели к созданию астрофизики, геофизики, кристаллофизики и др. Нередко применяется комплекс взаимосвязанных частных методов к изучению одного предмета. Например, молекулярная биология одновременно пользуется методами физики, математики, химии, кибернетики.
3). Особенные методы касаются лишь одной стороны изучаемого предмета или же определенного приема исследования: анализ, синтез, индукция, дедукция. К числу особенных методов также относятся наблюдение, измерение, сравнение и эксперимент.
|
|
|
Научный метод — совокупность основных способов получения новых знаний и методов решения задач в рамках любой науки. Метод включает в себя способы исследования феноменов, систематизацию, корректировку новых и полученных ранее знаний. Умозаключения и выводы делаются с помощью правил и принципов рассуждения на основе эмпирических (наблюдаемых и измеряемых) данных об объекте. Базой получения данных являются наблюдения и эксперименты. Для объяснения наблюдаемых фактов выдвигаются гипотезы и строятся теории, на основании которых формулируются выводы и предположения. Полученные прогнозы проверяются экспериментом или сбором новых фактов.
Теоретический научный метод включает теории, гипотезы, научные законы, научное моделирование. Эмпирический научный метод включает эксперименты, научные исследования, наблюдения, измерения.
8. Формы познания. Структура и методы естественно-научного познания.
Процесс познания включает получение информации через органы чувств (чувственное познание), переработку данной информации мышлением (рациональное познание) и материальное освоение познаваемых фрагментов действительности (общественная практика).
Чувственное познание реализуется в виде непосредственного получения информации с помощью органов чувств, которые прямо связывают нас с внешним миром. Основными формами чувственного познания являются: ощущение, восприятие и представление.
Главная особенность рационального познания выражается в том, что с его помощью исследуют общие и существенные признаки и связи явлений действительности, выясняются законы их строения, функционирования и развития. Его основные формы - понятия, интуиция, объяснение и понимание. В понятиях выражаются общие и, существенные признаки предметов и явлений.
|
|
|
Различают два уровня научного познания: эмпирический и теоретический. Одни общенаучные методы применяются только на эмпирическом уровне (наблюдение, эксперимент, измерение); другие – только на теоретическом (идеализация, формализация), а некоторые (например моделирование) – как на эмпирическом, так и на теоретическом.
Эмпирический уровень научного познания характеризуется непосредственным исследованием реально существующих, чувственно воспринимаемых объектов. На этом уровне осуществляется процесс накопления информации об исследуемых объектах (путем измерения, экспериментов) здесь происходит первичная систематизация полученных знаний (в виде таблиц, схем, графиков).
Теоретический уровень научного исследования осуществляется на рациональной (логической) ступени познания. На данном уровне происходит выявление наиболее глубоких, существенных сторон, связей, закономерностей, присущих изучаемым объектам, явлениям. Результатом теоретического познания становятся гипотезы, теории, законы.
Методы научного познания принято подразделять по широте применимости в процессе научного исследования. Различают всеобщие, общенаучные и частнонаучные методы.
Всеобщих методов в истории познания два: диалектический и метафизический. Метафизический метод с середины XIX в. начал все больше вытесняться диалектическим.
Общенаучные методы используются в самых различных областях науки (имеет междисциплинарный спектр применения).
Классификация общенаучных методов тесно связана с понятием уровней научного познания.
Различают два уровня научного познания: эмпирический и теоретический. Одни общенаучные методы применяются только на эмпирическом уровне (наблюдение, эксперимент, измерение); другие – только на теоретическом (идеализация, формализация), а некоторые (например, моделирование) – как на эмпирическом, так и на теоретическом.
Эмпирический уровень научного познания характеризуется непосредственным исследованием реально существующих, чувственно воспринимаемых объектов. На этом уровне осуществляется процесс накопления информации об исследуемых объектах (путем измерения, экспериментов) здесь происходит первичная систематизация полученных знаний (в виде таблиц, схем, графиков).
Теоретический уровень научного исследования осуществляется на рациональной (логической) ступени познания. На данном уровне происходит выявление наиболее глубоких, существенных сторон, связей, закономерностей, присущих изучаемым объектам, явлениям. Результатом теоретического познания становятся гипотезы, теории, законы.
Однако эмпирические и теоретические уровни познания взаимосвязаны между собой. Эмпирический уровень выступает в качестве основы, фундамента теоретического.
К третьей группе методов научного познания относятся методы, используемые только в рамках исследований какой-то конкретной науки или какого-то конкретного явления.
Такие методы именуются частнонаучными. Каждая частная наука (биология, химия, геология) имеет свои специфические методы исследования.
Однако частнонаучные методы содержат черты как общенаучных методов, так и всеобщих. Например, в частнонаучных методах могут присутствовать наблюдения, измерения. Или, например всеобщий диалектический принцип развития проявляется в биологии в виде открытого Ч. Дарвином естественноисторического закона эволюции животных и растительных видов.
|
|
|
9. Структурные уровни организации материи. Микро-, макро-, мега- мир. Корпускулярная и континуальная концепции описания природы.
Естественные науки, начав изучение материального мира с наиболее простых непосредственно воспринимаемых человеком материальных объектов, переходят далее к изучению сложнейших объектов глубинных структур материи, выходящих за пределы человеческого восприятия и несоизмеримых с объектами повседневного опыта. Применяя системный подход, естествознание не просто выделяет типы материальных систем, а раскрывает их связь и соотношение.
В науке выделяются три уровня строения материи:
· Макромир - мир макрообъектов, размерность которых соотносима с масштабами человеческого опыта: пространственные величины выражаются в миллиметрах, сантиметрах и километрах, а время — в секундах, минутах, часах, годах.
· Микромир — мир предельно малых, непосредственно не наблюдаемых микрообъектов, пространственная разномерность которых исчисляется от 10-8 до 10-16 см, а время жизни - от бесконечности до 10-24 сек.
· Мегамир — мир огромных космических масштабов и скоростей, расстояние в котором измеряется световыми годами, а время существования космических объектов — миллионами и миллиардами лет.
И хотя на этих уровнях действуют свои специфические закономерности, микро-, макро- и мегамиры теснейшим образом взаимосвязаны.
С древнейших времен существовали два противоположных представления о структуре материального мира. Одно из них - континуальная концепция Анаксагора - Аристотеля - базировалось на идее непрерывности, внутренней однородности, "сплошности" и, по-видимому, было связано с непосредственными чувственными впечатлениями, которые производят вода, воздух, свет и т.п. Материю, согласно этой концепции, можно делить до бесконечности, и это является критерием ее непрерывности. Заполняя все пространство целиком, материя не оставляет пустоты внутри себя.
Другое представление - атомистическая (корпускулярная) концепция Левкиппа - Демокрита - было основано на дискретности пространственно-временного строения материи, "зернистости" реальных объектов и отражало уверенность человека в возможность деления материальных объектов на части лишь до определенного предела - до атомов1, которые в своем бесконечном разнообразии (по величине, форме, порядку) сочетаются различными способами и порождают все многообразие объектов и явлений реального мира.
|
|
|
10. Структурные уровни макромира. Вещество и поле – виды материи
Макромир - мир макрообъектов, размерность которых соотносится с масштабами человеческого опыта. Макромир имеет несколько уровней организации (физический, химический, биологический и социальный).
Как физический уровень организации макромира, так и химический уровень имеют дело с молекулами и различными состояниями вещества. Однако химический уровень значительно более сложный. Он не сводится к физическому, рассматривающему строение веществ, их физические свойства, движение (все это было исследовано в рамках классической физики) хотя бы по сложности химических процессов и реакционной способности веществ.
На биологическом уровне организации макромира, кроме молекул, мы обычно не можем без микроскопа разглядеть и клетки. Но ведь есть клетки, которые достигают огромной величины, например аксоны нейронов осьминогов длинной в один метр и даже больше. Вместе с тем все клетки имеют определенные сходные черты: они состоят из мембран, микротрубочек, у многих есть ядра и органеллы. Все мембраны и органеллы в свою очередь состоят из гигантских молекул (белков, липидов и др.), а эти молекула состоят из атомов. Поэтому как гигантские информационные молекулы (ДНК, РНК, ферменты), так и клетки - это микроуровни биологического уровня организации материи, включающего и такие огромные образования, как биоценозы и биосфера.
На социальном уровне организации макромира (обществе) также различаются различные уровни организации. Так, личность - индивидуальная социальность; семья, рабочий коллектив - межиндивидуальная социальность. Как индивидуальная социальность, так и межиндивидуальная социальность - микроуровни общества. Само общество и государство - это надындивидуальная социальность - макроуровень.
Вещество и поле - фундаментальные физические понятия, обозначающие два основных вида материи на макроскопическом уровне: вещество - совокупность дискретных образований, обладающих массой покоя (атомы, молекулы и то, что из них построено); поле - вид материи, характеризующейся непрерывностью и имеющей нулевую массу покоя (электромагнитное поле и поле тяготения - гравитационное). Открытие поля как вида материи имело огромное философское значение, так как обнаружило несостоятельность метафизического отождествления материи с веществом. На субатомном уровне (то есть на уровне элементарных частиц) различие вещества и поля становится относительным. Поля (электромагнитное и гравитационное) утрачивают чисто непрерывный характер: им необходимо соответствуют дискретные образования - кванты (фотоны и гравитоны). А элементарные частицы, из которых состоит выщество - протоны, нейтроны, электроны, мезоны и т. д. - выступают как кванты соответствующих нуклонных, мезонных и других полей и утрачивают свой чисто дискретный характер. Неправомерно на субатомном уровне различать вещество и поле и по наличию или отсутствию массы покоя, так как нуклонные, мезонные и прочие поля обладают массой покоя. В современной физике поля и частицы выступают как две неразрывно связанные стороны микромира, как выражение единства корпускулярных (дискретных) и волновых (континуальных, непрерывных) свойств микрообъектов. Представления о поле выступают также как основа для объяснения процессов взаимодействия, воплощая принцип близкодействия.
11. Законы Ньютона. Закон всемирного тяготения.
Первый закон Ньютона постулирует наличие такого явления, как инерция тел, то есть свойство тел сопротивляться изменению их текущего состояния. Поэтому он также известен как Закон инерции. Современная формулировка: Существуют такие системы отсчёта, относительно которых материальная точка, при отсутствии внешних воздействий, сохраняет состояние покоя или равномерного прямолинейного движения.
Второй закон Ньютона — дифференциальный закон движения, описывающий взаимосвязь между приложенной к материальной точке силой и получающимся от этого ускорением этой точки. Фактически, второй закон Ньютона вводит массу как меру проявления инертности материальной точки в выбранной инерциальной системе отсчёта (ИСО). Современная формулировка второго закона Ньютона: В инерциальной системе отсчета ускорение, которое получает материальная точка, прямо пропорционально равнодействующей всех приложенных к ней сил и обратно пропорционально её массе.
Третий закон объясняет, что происходит с двумя взаимодействующими телами. Современная формулировка: Материальные точки попарно действуют друг на друга с силами, имеющими одинаковую природу, направленными вдоль прямой, соединяющей эти точки, равными по модулю и противоположными по направлению. Закон отражает принцип парного взаимодействия. То есть все силы в природе рождаются парами.
Исаак Ньютон вывел закон тяготения, основываясь на эмпирических законах Кеплера, известных к тому времени. Он показал, что наблюдаемые движения планет свидетельствуют о наличии центральной силы; обратно, центральная сила притяжения приводит к эллиптическим (или гиперболическим) орбитам. Теория тяготения Ньютона не была, строго говоря, гелиоцентрической. Уже в задаче двух тел планета вращается не вокруг Солнца, а вокруг общего центра тяжести, так как не только Солнце притягивает планету, но и планета притягивает Солнце. Наконец, выяснилась необходимость учесть влияние планет друг на друга. Со временем оказалось, что закон всемирного тяготения позволяет с огромной точностью объяснить и предсказать движения небесных тел, и он стал рассматриваться как фундаментальный. В то же время ньютоновская теория содержала ряд трудностей. Главная из них — необъяснимое дальнодействие: сила притяжения передавалась непонятно как через совершенно пустое пространство, причём бесконечно быстро. По существу ньютоновская модель была чисто математической, без какого-либо физического содержания. Кроме того, если Вселенная, как тогда предполагали, евклидова и бесконечна, и при этом средняя плотность вещества в ней ненулевая, то возникает гравитационный парадокс. На протяжении более двухсот лет после Ньютона физики предлагали различные пути усовершенствования ньютоновской теории тяготения. Эти усилия увенчались успехом в 1915 году, с созданием общей теории относительности Эйнштейна, в которой все указанные трудности были преодолены. Сила гравитационного притяжения между двумя материальными точками массы m1 и m2, разделёнными расстоянием R, пропорциональна обеим массам и обратно пропорциональна квадрату расстояния между ними — то есть: F = G*((m1*m2)/R*R), Здесь G — гравитационная постоянная, равная 6,67 × 10–11. м³/(кг с²).
12. Инерциальные и неинерциальные система отсчета.
Инерциальная система отсчёта (ИСО) — система отсчёта, в которой справедлив закон инерции: любое тело, на которое не действуют внешние силы или действие этих сил компенсируется, находится в состоянии покоя или равномерного прямолинейного движения. Всякая система отсчёта, движущаяся относительно ИСО равномерно и прямолинейно, также является ИСО. Согласно принципу относительности, все ИСО равноправны, и все законы физики инвариантны относительно перехода из одной ИСО в другую. Это значит, что проявления законов физики в них выглядят одинаково, и записи этих законов имеют одинаковую форму в разных ИСО.
Неинерциальная система отсчёта — произвольная система отсчёта, не являющаяся инерциальной. Примеры неинерциальных систем отсчета: система, движущаяся прямолинейно с постоянным ускорением, а также вращающаяся система.
При рассмотрении уравнений движения тела в неинерциальной системе отсчета необходимо учитывать дополнительные силы инерции. Законы Ньютона выполняются только в инерциальных системах отсчёта.
13. Материя, движение, пространство и время в классической физике, в СТО, ОТО. Универсальные свойства и специфические особенности пространства и времени на микро-, макро-, мега- уровнях. Концепции пространства и времени в современном Естествознании.
Движение, пространство и время - все это формы существования материи. Движение - это неотъемлемое свойство материи. Материи неподвижной, неизменно пребывающей в состоянии абсолютного покоя не существует. Материя и движение неразрывны. Пространство и время - это всеобщие формы существования материи. Пространство - есть форма бытия материи, характеризующая ее протяженность, сосуществование и взаимодействие материальных тел во всех системах. Время - форма бытия материи, выражающая длительность ее существования, последовательность смены состояний всех материальных систем. Как и материя, пространство и время объективны, независимы от сознания. Структура и свойства движущейся материи определяют структуру и свойства пространства и времени. Пространство и время зависят не только от материи, но и друг от друга. Более глубоко связь пространства и времени раскрыла теория относительности. Она ввела единое понятие четырехмерного пространства - времени (пространства Минковского). Так данные современного естествознания подтверждают единство материи, движения, пространства и времени.
Время и пространство обладают общими свойствами. К ним относятся:
· объективность и независимость от сознания человека;
· их абсолютность как атрибутов материи;
· неразрывная связь друг с другом и движением;
· единство прерывного и непрерывного в их структуре;
· зависимость от процессов развития и структурных изменений в материальных системах;
· количественная и качественная бесконечность.
К всеобщим свойствам пространства относятся:
· протяженность, т.е. взаимное расположение и существование различных тел, возможность прибавления или уменьшения какого-либо элемента;
· связность и непрерывность, которая проявляется физическим воздействием через поля различного характера перемещения тел;
· относительная прерывность, т.е. раздельное существование материальных тел, каждому из которых присущи свои границы и размеры.
Специфические свойства времени:
· конкретные периоды существования тел (они возникновенны до перехода в иные формы);
· одновременность событий (они всегда относительны);
· ритм процессов, скорость изменения состояний, темп развития процессов, и др.
14. Основные идеи СТО, ОТО. Связь гравитации с пространством – временем.
Специальная теория относительности (СТО) - теория, описывающая движение, законы механики и пространственно-временные отношения при скоростях движения, близких к скорости света. В рамках специальной теории относительности классическая механика Ньютона является приближением низких скоростей. Специальная теория относительности была разработана в начале XX века усилиями Г. А. Лоренца, А. Пуанкаре, А. Эйнштейна и других учёных. Экспериментальной основой для создания СТО послужил опыт Майкельсона. Его результаты оказались неожиданными для классической физики своего времени: независимость скорости света от системы отсчёта. Попытка интерпретировать этот результат в начале XX века вылилась в пересмотр классических представлений, и привела к созданию специальной теории относительности.
Обычно рассматриваются две инерциальные системы S и S'. Время и координаты некоторого события, измеренные относительно системы S обозначаются как (t, x, y, z), а координаты и время этого же события, измеренные относительно системы S', как (t', x', y', z'). Удобно считать, что координатные оси систем параллельны друг другу и система S' движется вдоль оси x системы S со скоростью v. Одной из задач СТО является поиск соотношений, связывающих (t', x', y', z') и (t, x, y, z), которые называются преобразованиями Лоренца.
Общая теория относительности (ОТО) - геометрическая теория тяготения, развивающая специальную теорию относительности (СТО), опубликованная Альбертом Эйнштейном в 1915—1916 годах. В рамках общей теории относительности, как и в других метрических теориях, постулируется, что гравитационные эффекты обусловлены не силовым взаимодействием тел и полей, находящихся в пространстве-времени, а деформацией самого пространства-времени, которая связана, в частности, с присутствием массы-энергии. Общая теория относительности отличается от других метрических теорий тяготения использованием уравнений Эйнштейна для связи кривизны пространства-времени с присутствующей в нём материей. ОТО в настоящее время — самая успешная теория, хорошо подтверждённая наблюдениями.
Важно отметить, что основным отличием пространства-времени общей теории относительности от пространства-времени специальной теории относительности является его кривизна, которая выражается тензорной величиной — тензором кривизны. В пространстве-времени специальной теории относительности этот тензор тождественно равен нулю и пространство-время является плоским.
15. Квантово – полевая модель мира. Корпускулярно – волновой дуализм в современной физике. Гипотеза де Бройля.
В основе современной квантово-полевой картины мира лежит новая физическая теория — квантовая механика, описывающая состояние и движение микрочастиц (элементарных частиц, атомов, молекул, атомных ядер) и их систем, а также связь величин, характеризующих частицы и системы, с физическими величинами, непосредственно измеряемыми на опыте. В соответствии с квантово-полевой картиной мира любой микрообъект, обладая волновыми и корпускулярными свойствами, не имеет определенной траектории движения и не может иметь определенных координат и скорости (импульса). Спецификой квантово-полевых представлений о закономерности и причинности является то, что они всегда выступают в вероятностной форме, в виде так называемых статистических законов, которые способствуют более глубокому уровню познания природных закономерностей. Таким образом, оказалось, что в основе мира лежат случайность, вероятность.
Корпускулярно-волновой дуализм - лежащее в основе квантовой механики положение о том, что в поведении микрообъектов проявляются как корпускулярные, так и волновые черты. По представлениям классической (неквантовой) физики, движение частиц и распространение волн различаются принципиально. Однако опыты по вырыванию светом электронов с поверхности металлов (фотоэффект), изучение рассеяния света на электронах (Комптона эффект) и ряд др. экспериментов убедительно показали, что свет — объект, имеющий, согласно классической теории, волновую природу, — ведёт себя подобно потоку частиц. Таким образом, характерной особенностью микромира является своеобразная двойственность, дуализм корпускулярных и волновых свойств, который не может быть понят в рамках классической физики.
В 1924 г французский физик Луи де Бройль выдвинул смелую гипотезу, согласно которой корпускулярно-волновой дуализм имеет универсальный характер. Согласно гипотезе де Бройля каждая материальная частица обладает волновыми свойствами, причем соотношения, связывающие волновые и корпускулярные характеристики частицы остаются такими же, как и в случае электромагнитного излучения. По гипотезе де Бройля движущейся частице, обладающей энергией E и импульсом p, соответствует волновой процесс, частота которого равна ω = E/h, а длина волны λ = 2πh/p.
16. Принципы относительности Галилея и Эйнштейна.
Принцип относительности Галилея. Из формулы для ускорений следует, что если движущаяся система отсчета движется относительно первой без ускорения, то ускорение тела относительно обеих систем отсчета одинаково.
Поскольку в Ньютоновской динамике из кинематических величин именно ускорение играет роль (второй закон Ньютона), то, если довольно естественно предположить, что силы зависят лишь от относительного положения и скоростей физических тел (а не их положения относительно абстрактного начала отсчета), окажется, что все уравнения механики запишутся одинаково в любой инерциальной системе отсчета - иначе говоря, законы механики не зависят от того, в какой из инерциальных систем отсчета мы их исследуем, не зависят от выбора в качестве рабочей какой-то конкретной из инерциальных систем отсчета. Также - поэтому - не зависит от такого выбора системы отсчета наблюдаемое движение тел (учитывая, конечно, начальные скорости). Это утверждение известно как принцип относительности Галилея, в отличие от Принципа относительности Эйнштейна
Иным образом этот принцип формулируется (следуя Галилею) так: если в двух замкнутых лабораториях, одна из которых равномерно прямолинейно (и поступательно) движется относительно другой, провести одинаковый механический эксперимент, результат будет одинаковым.
Требование (постулат) принципа относительности вместе с преобразованиями Галилея, представляющимися достаточно интуитивно очевидными, во многом следует форма и структура ньютоновской механики (и исторически также они оказали существенное влияние на ее формулировку). Говоря же несколько более формально, они налагают на структуру механики ограничения, достаточно существенно влияющие на ее возможные формулировки, исторически весьма сильно способствовавшие ее оформлению.
Принцип относительности Эйнштейна. Принцип относительности — фундаментальный физический принцип, согласно которому все физические процессы в инерциальных системах отсчёта протекают одинаково, независимо от того, неподвижна ли система или она находится в состоянии равномерного и прямолинейного движения. Отсюда следует, что все законы природы одинаковы во всех инерциальных системах отсчёта. В современной литературе принцип относительности в его применении к инерциальным системам отсчета (чаще всего при отсутствии гравитации или при пренебрежении ею) обычно выступает терминологически как лоренц-ковариантность (или лоренц-инвариантность). Отцом принципа относительности считается Галилео Галилей, который обратил внимание на то, что находясь в замкнутой физической системе, невозможно определить, покоится эта система или равномерно движется. Однако с развитием электродинамики оказалось, что законы электромагнетизма и законы плохо согласуются друг с другом, так как уравнения механики в известном тогда виде не менялись после преобразований Галилея, а уравнения Максвелла при применении этих преобразований меняли свой вид и, главное, давали другие предсказания. Эти противоречия привели к открытию преобразований Лоренца, которые делали применимым принцип относительности к электродинамике, и к постулированию их применимости также к механике, что затем было использовано для исправления механики с их учетом, что выразилось, в частности, в созданной Эйнштейном Специальной теории относительности.
Принцип относительности, включающий явно все электродинамические и оптические явления, был, по-видимому, впервые введен Анри Пуанкаре начиная с 1889. Пуанкаре также, по признанию Лоренца, был человеком, вдохновившим введение принципа относительности как точного принципа в работе Лоренца 1904, а впоследствии внёсшим необходимые исправления в некоторые формулы этой работы, в которых у Лоренца обнаружились ошибки.
В этой принципиальной статье Лоренца (1904 г.), содержавшей вывод преобразований Лоренца и другие революционные физические результаты, он, в частности, писал: «Положение вещей было бы удовлетворительным, если бы можно было с помощью определенных основных допущений показать, что многие электромагнитные явления строго, то есть без какого-либо пренебрежения членами высших порядков, не зависят от движения системы. … На скорость налагается только то ограничение, что она должна быть меньше скорости света». Затем, в работе 1904 года Пуанкаре дополнительно углубил результаты Лоренца, донеся значение принципа относительности до довольно широких кругов физиков и математиков.
Лоренц писал в 1912 г.: «Заслуга Эйнштейна состоит в том, что он первый высказал принцип относительности в виде всеобщего строго и точно действующего закона»
17. Принцип симметрии, дополнительности, неопределенности, суперпозиции, соответствия, тождественности.
Принцип симметрии. Согласно современным представлениям, симметрия выражает идею сохранения, выявляет общее в объектах и явлениях, ограничивает число возможных вариантов структур и возможных вариантов поведения систем. В этом заключается сущность принципа симметрии. Симметрия помогает выделить в нашем изменчивом мире инварианты - своеобразные “точки опоры”. Все изменяется, однако законы природы обнаруживают симметрию. Они симметричны по отношению ко времени (что бы ни происходило, а энергия сохраняется) и пространству (закон сохранения импульса).
Принцип дополнительности — один из важнейших принципов квантовой механики, сформулированный в 1927 году Нильсом Бором. Согласно этому принципу, для полного описания квантовомеханических явлений необходимо применять два взаимоисключающих («дополнительных») набора классических понятий, совокупность которых даёт исчерпывающую информацию об этих явлениях как о целостных. Например, дополнительными в квантовой механике являются пространственно-временная и энергетически-импульсная картины.
Принцип неопределенности - один из базовых принципов квантовой механики. Согласно ему некоторые пары физических величин, например, координаты и скорость или время и энергия, не могут одновременно иметь полностью определенные значения. Так чем точнее известна скорость частицы, тем больше «размазано» ее местоположение, или чем меньше время жизни возбужденного состояния атома, тем больше его ширина (разброс энергий). Считается, что неопределенность выражается в невозможности точного измерения значений пар этих величин.
Принцип суперпозиции — один из самых общих законов во многих разделах физики. В самой простой формулировке принцип суперпозиции гласит: результат воздействия на частицу нескольких внешних сил есть просто сумма результатов воздействия каждой из сил.
Принцип соответствия — это утверждение, что любая новая научная теория при наличии старой, хорошо проверенной теории находится с ней не в полном противоречии, а даёт те же следствия в некотором предельном приближении (частном случае). Например, закон Бойля-Мариотта является частным случаем уравнения состояния идеального газа в приближении постоянной температуры; кислоты и основания Аррениуса являются частным случаем кислот и оснований Льюиса и т.п.
Принцип тождественности - один из основополагающих принципов квантовой механики, согласно которому состояния системы частиц, получающиеся друг из друга перестановкой тождественных частиц местами, нельзя различить ни в каком эксперименте, и такие состояния должны рассматриваться как одно физических состояние. Принцип тождественности является одним из основных различий между классической и квантовой механиками.
18. Свойства пространства, времени и законы сохранения.
Свойства пространства и времени - см. вопрос 13.
Законы сохранения — фундаментальные физические законы, согласно которым при определённых условиях некоторые измеримые физические величины, характеризующие замкнутую физическую систему, не изменяются с течением времени. Некоторые из законов сохранения выполняются всегда и при всех условиях (например, законы сохранения энергии, импульса, момента импульса, электрического заряда), или, во всяком случае, никогда не наблюдались процессы, противоречащие этим законам. Другие законы являются лишь приближёнными и выполняющимися при определённых условиях (например, закон сохранения массы выполняется в нерелятивистском приближении; закон сохранения чётности выполняется для сильного и электромагнитного взаимодействия, но нарушается в слабом взаимодействии).
· Закон сохранения энергии - энергия изолированной (замкнутой) системы сохраняется во времени.
· Закон сохранения импульса - сумма импульсов всех тел (или частиц) замкнутой системы есть величина постоянная.
· Закон сохранения момента импульса - векторная сумма всех моментов импульса относительно любой оси для замкнутой системы остается постоянной в случае равновесия системы.
· Закон сохранения массы - масса как мера количества вещества сохраняется при всех природных процессах, то есть несотворима и неуничтожима.
· Закон сохранения электрического заряда - алгебраическая сумма зарядов электрически замкнутой системы сохраняется.
19. Статистические и термодинамические свойства макросистем. Соотношение статистических и динамических закономерностей в Природе.
Открытие закона сохранения энергии способствовало развитию двух качественно различных, но взаимно дополняющих методов исследования тепловых явлений и свойств макросистем: термодинамического и статистического (молекулярно-кинетического). Первый из них лежит в основе термодинамики, второй – молекулярной физики.
Термодинамика представляет собой науку о тепловых явлениях, в которой не учитывается молекулярное строение тел. Все законы термодинамики относятся к телам, число молекул которых огромно. Такие тела называют макроскопическими. Они образуют макросистемы. Основа термодинамического метода – определение состояния термодинамической системы, представляющей собой совокупность макроскопических тел, которые взаимодействуют и обмениваются энергией как между собой, так и с другими телами (внешней средой). Состояние системы задается термодинамическими параметрами (параметрами системы), характеризующими ее свойства. Обычно в качестве термодинамических параметров состояния выбирают температуру, давление и удельный объем (объем единицы массы).
Процессы, изучаемые молекулярной физикой, являются результатом совокупного действия огромного числа молекул. Поведение громадного числа молекул анализируется с помощью статистического метода. Он основан на том, что свойства макроскопической системы в конечном результате определяются свойствами частиц системы, особенностями их движения и усредненными значениями кинетических и динамических характеристик таких частиц (скорости, энергии, давления и т. д.). Например, температура тела определяется скоростью беспорядочного движения его молекул, но так как в любой момент времени разные молекулы имеют различные скорости, она может быть выражена только через среднее значение скорости движения молекул.
20. Структурные элементы микромира (атомы, ядра, элементарные частицы, молекулы, кварковая модель атома).
Атом - наименьшая химически неделимая часть химического элемента, являющаяся носителем его свойств. Атом состоит из атомного ядра и окружающего его электронного облака. Ядро атома состоит из положительно заряженных протонов и электрически нейтральных нейтронов, а окружающее его облако состоит из отрицательно заряженных электронов. Если число протонов в ядре совпадает с числом электронов, то атом в целом оказывается электрически нейтральным. В противном случае он обладает некоторым положительным или отрицательным зарядом и называется ионом. Атомы классифицируются по количеству протонов и нейтронов в ядре: количество протонов определяет принадлежность атома некоторому химическому элементу, а число нейтронов — изотопу этого элемента.
Атомы различного вида в разных количествах, связанные межатомными связями, образуют молекулы.
Протон, согласно кварковой гипотезе, состоит из двух «верхних» кварков и одного «нижнего», а нейтрон из одного «верхнего» и двух «нижних» кварков. Их нельзя представить в виде твёрдого шарика, скорее, они напоминают облако с размытыми границами, состоящее из рождающихся и исчезающих виртуальных частиц.
21. Развитие взглядов на природу света. Формула Планка. Фотон и его характеристики.
Свет — электромагнитное излучение, испускаемое нагретым или находящимся в возбуждённом состоянии веществом, воспринимаемое человеческим глазом. Под светом понимают не только видимый свет, но и примыкающие к нему широкие области спектра.
Первые теории о природе света - корпускулярная и волновая - появились в середине 17 века. Согласно корпускулярной теории (или теории истечения) свет представляет собой поток частиц (корпускул), которые испускаются источником света. Эти частицы движутся в пространстве и взаимодействуют с веществом по законам механики. Эта теория хорошо объясняла законы прямолинейного распространения света, его отражения и преломления. Основоположником данной теории является Ньютон. Согласно волновой теории свет представляет собой упругие продольные волны в особой среде, заполняющей все пространство - светоносном эфире. Распространение этих волн описывается принципом Гюйгенса. Гипотеза о волновой природе света высказана Гуком, а развитие она получила в работах Гюйгенса, Френеля, Юнга.
Противоречия волновой теории были разрешены в 1865 году Максвеллом, который пришел к выводу, что свет - электромагнитная волна. Согласно современным представлениям, свет имеет двойственную корпускулярно-волновую природу. В одних явлениях свет обнаруживает свойства волн, а в других - свойства частиц. Волновые и квантовые свойства дополняют друг друга.
Элементарной частицей, или квантом света, является фотон. Это безмассовая частица, способная существовать только двигаясь со скоростью света. Заряд фотона также равен нулю.
Формула Планка — выражение для спектральной плотности мощности излучения абсолютно чёрного тела, которое было получено Максом Планком. Для плотности энергии излучения u (ω, T): u (ω, T)= ω2/П2с2умножить на h(с крест) ω/е в степени h(с крест) ω/kT -1.
Формула Планка была получена после того, как стало ясно, что формула Рэлея — Джинса удовлетворительно описывает излучение только в области длинных волн. Для вывода формулы Планк в 1900 году сделал предположение о том, что электромагнитное излучение испускается в виде отдельных порций энергии (квантов), величина которых связана с частотой излучения выражением: епсилон=h с крест умножить вау
Коэффициент пропорциональности h(с крест) впоследствии назвали постоянной Планка, h(с крест) = 1.054 · 10−27 эрг·с.
22. Элементарные частицы и их классификации.
Элементарная частица — собирательный термин, относящийся к микрообъектам в субъядерном масштабе, которые (согласно существующим представлениям) невозможно расщепить на составные части. Их строение и поведение изучается физикой элементарных частиц. Понятие элементарных частиц основывается на факте дискретного строения вещества. Ряд элементарных частиц имеет сложную внутреннюю структуру, однако разделить их на части невозможно. Другие элементарные частицы на данный момент считаются бесструктурными и рассматриваются как первичные фундаментальные частицы.
По величине спина все элементарные частицы делятся на два класса:
· фермионы — частицы с полуцелым спином (например, электрон, протон, нейтрон, нейтрино);
· бозоны — частицы с целым спином (например, фотон, глюон, мезоны).
По видам взаимодействий элементарные частицы делятся на следующие группы:
Составные частицы
· адроны — частицы, участвующие во всех видах фундаментальных взаимодействий. Они состоят из кварков и подразделяются, в свою очередь, на:
· мезоны (адроны с целым спином, то есть бозоны);
· барионы (адроны с полуцелым спином, то есть фермионы). К ним, в частности, относятся частицы, составляющие ядро атома, — протон и нейтрон.
Фундаментальные (бесструктурные) частицы
· лептоны — фермионы, которые имеют вид точечных частиц (т. е. не состоящих ни из чего) вплоть до масштабов порядка 10−18 м. Не участвуют в сильных взаимодействиях. Участие в электромагнитных взаимодействиях экспериментально наблюдалось только для заряженных лептонов (электроны, мюоны, тау-лептоны) и не наблюдалось для нейтрино. Известны 6 типов лептонов.
· кварки — дробнозаряженные частицы, входящие в состав адронов. В свободном состоянии не наблюдались (для объяснения отсутствия таких наблюдений предложен механизм конфайнмента). Как и лептоны, делятся на 6 типов и являются бесструктурными, однако, в отличие от лептонов, участвуют в сильном взаимодействии.
· калибровочные бозоны — частицы, посредством обмена которыми осуществляются взаимодействия:
· фотон — частица, переносящая электромагнитное взаимодействие;
· восемь глюонов — частиц, переносящих сильное взаимодействие;
· три промежуточных векторных бозона W+, W− и Z0, переносящие слабое взаимодействие;
· гравитон — гипотетическая частица, переносящая гравитационное взаимодействие. Существование гравитонов, хотя пока не доказано экспериментально в связи со слабостью гравитационного взаимодействия, считается вполне вероятным; однако гравитон не входит в Стандартную модель элементарных частиц.
23. Современные ускорители и детекторы элементарных частиц.
Элементарные частицы — мельчайшие известные частицы материи.
В современных ускорителях вместо неподвижной мишени часто ис-
пользуется встречный ускоренный пучок частиц. Подобные ускорители
на встречных пучках называются коллайдерами. К настоящему времени
построено несколько коллайдеров: в США, Японии, Германии и в Евро-
пейской организации ядерных исследований (ЦЕРН) в Швейцарии.
В настоящее время многочисленные малые ускорители применяются в медицине (радиационная терапия), а также в промышленности (например, для ионной имплантации в полупроводниках). Крупные же ускорители применяются главным образом в научных целях – для исследования субъядерных процессов и свойств элементарных частиц
В зависимости от типа ускоряемых частиц различают протонные и электронные ускорители. Кроме того, ускорители бывают кольцевые и линейные.
В кольцевых ускорителях, вдоль всего кольца, в котором, движутся разгоняемые заряженные частицы и из которых откачан воздух, стоят электромагниты. Чем сильнее магнитное поле, тем более энергичные частицы могут быть удержаны внутри кольца (камеры). Разгоняются частицы при помощи электрического поля в ускоряющих промежутках, которые расположены вдоль кольца. В кольцевом ускорителе, где частица может многократно пролететь вдоль кольца. пока не наберет нужную энергию, электрическое поле может быть не очень сильным. В линейном ускорителе (принципиальная схема которого приведена на Рис. 7), напротив, ускоряющие электрические потенциалы должны быть предельно высокими, потому что частица должна набрать всю свою энергию за один пролет. (Линейные ускорители используются также и для получения высокоэнергичных пучков ионов и ядер.)
Один из самых больших действующих линейных ускорителей (SLAC) расположен в Станфорде (вблизи Сан-Франциско, США).
Детектор элементарных частиц, детектор ионизирующего излучения в экспериментальной физике элементарных частиц — устройство, предназначенное для обнаружения и измерения параметров элементарных частиц высокой энергии, таких как космические лучи или частиц, рождающихся при ядерных распадах или в ускорителях.
Основными требованиями, предъявляемыми к современному детектору для экспериментов на ускорителе являются:
§ Высокая эффективность (малый процент потерянных частиц или частиц с плохо определенными параметрами)
§ Способность к разделению различных типов частиц, образующихся в распаде (пионов, каонов, протонов и т. д.)
§ Способность точного измерения импульса заряженных частиц для восстановления инвариантной массы нестабильных состояний.
§ Способность точного измерения энергии фотонов.
24. Парадокс времени в физике. Необратимые процессы и стрела времени.
Парадокс времени не существует сам по себе. С ним тесно связаны два других парадокса: "квантовый парадокс" и "космологический парадокс". Между парадоксом времени и квантовым парадоксом существует тесная аналогия. Сущность квантового парадокса заключается в том, что ответственность за коллапс несет наблюдатель и производимые им наблюдения. Следовательно аналогия между двумя парадоксами заключается в том, что человек отвечает за все особенности, связанные со становлением и событиями в нашем физическом описании. Теперь, надо отметить третий парадокс – космологический парадокс. Современная космология приписывает нашей вселенной возраст. Вселенная родилась в результате большого взрыва около 15 млрд. лет назад. Ясно, что это было событием. Но в традиционную формулировку понятий законов природы события не входят. Это и поставило физику на грань величайшего кризиса.
Стрела времени - однонаправленность времени в известном нам мире. Иногда эту однонаправленность трактуют как нарушение обратимости времени. Это ошибочная трактовка. Асимметрия реального мира не есть нарушение симметрии законов физики. Точно так же как дисимметрия живой природы или асимметрия спиральности галактик не может трактоваться как нарушение Р-симметрии законов природы. Законы лишь утверждают, что возможен другой мир симметричный нашему реальному миру (мир с противоположно направленной асимметрией). Кроме того, результаты Н.А.Козырева по обнаружению сигнала от прошлого и будущего положения звезды можно рассматривать как экспериментальное подтверждение существования мира с противоположной направленностью времени.
Необратимые процессы - физические процессы, которые могут самопроизвольно протекать только в одном определённом направлении. К ним относятся: процессы диффузии, теплопроводности, термодиффузии, и т.п. Все необратимые процессы являются неравновесными процессами. В замкнутых системах необратимые процессы сопровождаются возрастанием энтропии. В открытых системах при необратимых процессах энтропия может оставаться постоянной или даже убывать за счёт обмена энтропией с внешней средой. Необратимые процессы изучаются термодинамикой неравновесных процессов и статистической теорией неравновесных процессов.
25. Сильнонелинейные явления. Солитоны. Порядок и беспорядок в природе. Хаос. Аттракторы, странные аттракторы. Принцип возрастания энтропии. Синергетика, теория самоорганизации. Связь между энтропией, энергией и информацией.
Солитон — структурно устойчивая уединённая волна, распространяющаяся в нелинейной среде. Солитоны ведут себя подобно частицам (частицеподобная волна): при взаимодействии друг с другом или с некоторыми другими возмущениями они не разрушаются, а двигаются, сохраняя свою структуру неизменной. Это свойство может использоваться для передачи данных на большие расстояния без помех.
Синергетика. В конце XX века все большее развитие получает синергетика — наука о сложном, о том, как в хаосе устанавливается определенный порядок, который, однако, рано или поздно разрушается. Синергетика – междисциплинарное направление научных исследований, возникшее в начале 70-х г.г. и ставящее в качестве своей основной задачи познание общих закономерностей и принципов, лежащих в основе процессов самоорганизации в системах самой разной природы: физических, химических, биологических технических, экономических, социальных.
Под самоорганизацией в синергетике понимаются процессы возникновения макроскопически упорядоченных пространственно временных структур в сложных нелинейных системах. Система под воздействием самых незначительных воздействии, или флуктуации, может резко изменить свое состояние. Этот переход часто характеризуют как возникновение порядка из хаоса. Интересно, что как в установлении, так и в разрушении порядка огромную роль играют маленькие воздействия (флуктуации). Смена режимов устойчивости и неустойчивости происходит в системах, где есть подвод вещества, энергии и информации. Синергетика выявляет пути зарождения в хаосе порядка, его поддержания и распада.
Представьте себе нагрев воды в кастрюле. За счет подвода энергии вода начинает нагреваться, появляются пузырьки воздуха в воде. А возникают они на случайных местах, в силу случайностей. Но если пузырек образовался, то в уже достаточно нагретой воде он увеличивается в размерах и поднимается к поверхности воды, где лопается. При нагревании воды хаотичность движения ее молекул возрастает, но именно в этом хаосе устанавливается порядок, развивается история капель, наполненных водяными парами. Язык — это шум, хаос, в котором есть порядок.
Исходя из успехов синергетики ученые объясняют возникновение и развитие упорядоченных систем перестройкой хаоса. Все возникает из хаоса. Поскольку система «забывает» свои прошлые состояния, то неизвестно, что было до хаоса и в принципе это невозможно узнать.
Cинергетику можно считать наиболее полной, интегральной теорией порядка и хаоса потому, что она исследует различные фазы (уровни) порядка и проявления различной роли хаоса на этих этапах порядкообразования.
Предмет же синергетики охватывает все этапы универсального процесса самоорганизации как процесса эволюции порядка - его возникновения, развития, самоусложнения и разрушения, т.е. весь цикл развития системы в аспекте ее структурного упорядочения.
Принцип возрастания энтропии. Всякие естественные процессы сопровождаются возрастанием энтропии Вселенной; такое утверждение часто называют принципом энтропии. Также энтропия характеризует условия, при которых запасается энергия. Возрастание энтропии является характерным признаком естественных процессов и соответствует запасанию энергии при более низких температурах.
Такое истолкование связи энергии и энтропии, при котором энтропия характеризует условия запасания и хранения энергии, имеет большое практическое значение. Первое начало термодинамики утверждает, что энергия изолированной системы (а возможно, и всей Вселенной) остается постоянной. Поэтому, сжигая ископаемое топливо - уголь, нефть, уран - мы не уменьшаем общих запасов энергии. Любое действие приводит к понижению качества энергии Вселенной. Поскольку в промышленно развитом обществе процесс использования ресурсов стремительно ускоряется, то энтропия Вселенной неуклонно возрастает.
Принцип возрастания энтропии сводится к утверждению, что энтропия изолированных систем неизменно возрастает при всяком изменении их состояния и остается постоянной лишь при обратимом течении процессов.
Оба вывода о существовании и возрастании энтропии получаются на основе какого-либо постулата, отражающего необратимость реальных процессов в природе.
26. Современные концепции космологии. Концепции развития и эволюции Вселенной. Структура Вселенной. Модели Вселенной. Современные средства наблюдения объектов Вселенной. Проблема поиска внеземных цивилизаций.
Астрономические тела обладают тенденцией группироваться в системы. Звезды могут образовывать пары, входить в состав звездных скоплений или ассоциаций. Крупнейшими объединениями звезд являются галактики. Но и они редко наблюдаются одиночными. Более 90 % ярких галактик входят либо в небольшие группы, содержащие лишь несколько крупных членов (такова, например, местная группа галактик), либо в скопления, в которых их насчитывается многие тысячи. В свою очередь, группы и скопления часто образуют сверхскопления, содержащие по нескольку крупных групп или скоплений вместе с отдельными галактиками и облаками газа. Но на скоплениях и сверхскоплениях иерархия космических структур обрывается.
Современные космологические модели Вселенной основываются на общей теории относительности А. Эйнштейна, согласно которой метрика пространства и времени определяется распределением гравитационных масс во Вселенной. Современная релятивистская космология строит модели Вселенной, отталкиваясь от основного уравнения тяготения, введенного А. Эйнштейном в общей теории относительности. Уравнение тяготения Эйнштейна имеет не одно, а множество решений, чем и обусловлено наличие многих космологических моделей Вселенной.
В 1917 году были предложены модели стационарной Вселенной, однако уже в 1922 г. российский математик и геофизик Л. А. Фридман отбросил постулат классической космологии о стационарности Вселенной и дал принятое в настоящее время решение космологической проблемы. Расширение Вселенной считается научно установленным фактом. Обнаружение эффекта Доплера, свидетельствовавшего об удалении галактик, дало толчок дальнейшим теоретическим исследованиям и новым улучшенным измерениям расстояний и скоростей спиральных туманностей.
Американский физик Георгий Антонович Гамов в 1946 году заложил основы одной из фундаментальных концепций современной космологии - модели "горячей Вселенной". Согласно модели горячей Вселенной, плазма и электромагнитное излучение на ранних стадиях расширения Вселенной обладали высокой плотностью и температурой. В ходе космологического расширения Вселенной эта температура падала. При достижении температуры около 4000 К произошла рекомбинация протонов и электронов, после чего равновесие образовавшегося вещества (водорода и гелия) с излучением нарушилось. Температура обособившегося излучения продолжала снижаться и к нашей эпохе составила около 3К. Таким образом, это излучение сохранилось до наших дней как реликт от эпохи рекомбинации и образования нейтральных атомов водорода и гелия. Оно осталось как эхо бурного рождения Вселенной, которое часто называют Большим взрывом.
27. Фундаментальные взаимодействия в природе. Гравитационное, электромагнитное, слабое, сильное взаимодействие. Обменный характер взаимодействий. Проблема создания единой теории взаимодействия. Близкодействие и дальнодействие.
Фундаментальные взаимодействия:
Гравитационное взаимодействие. Это взаимодействие носит универсальный характер, в нем участвуют все виды материи, все объекты природы, все элементарные частицы. Гравитация определяет движение планет в звездных системах, играет важную роль в процессах, протекающих в звездах, управляет эволюцией Вселенной, в земных условиях проявляет себя как сила взаимного притяжения. Согласно общей теории относительности, гравитация связана с кривизной пространства-времени и описывается в терминах так называемой римановой геометрии.
Слабое взаимодействие. Это взаимодействие является наиболее слабым из фундаментальных взаимодействий, экспериментально наблюдаемых в распадах элементарных частиц, где принципиально существенными являются квантовые эффекты. Слабое взаимодействие выделяется с помощью следующего правила: если в процессе взаимодействия участвует элементарная частица, называемая нейтрино (или антинейтрино), то данное взаимодействие является слабым.
Электромагнитное взаимодействие. В электромагнитном взаимодействии участвуют все заряженные тела, все заряженные элементарные частицы. С точки зрения квантовой теории переносчиком электромагнитного взаимодействия является элементарная частица фотон.
Сильное взаимодействие. Сильное взаимодействие ответственно за устойчивость атомных ядер. Поскольку атомные ядра большинства химических элементов стабильны, то ясно, что взаимодействие, которое удерживает их от распада, должно быть достаточно сильным.
В настоящее время созданы модели единой теории электрослабого и сильного взаимодействий, получившие название модели великого объединения. Характерная энергия объединения оказывается порядка 1015 ГэВ, что значительно превосходит характерную энергию объединения электромагнитных и слабых взаимодействий. Отсюда вытекает, что прямое экспериментальное исследование великого объединения выглядит проблематичным даже в достаточно отдаленном будущем.
