Современная физическая научная картина мира

четыре фундаментальных взаимодействия:

гравитационное,

электромагнитное,

сильное,

слабое.

квантово-полевой механизм передачи взаимодействий (заряд испускает виртуальные частицы-переносчики соответствующего взаимодействия, поглощаемые другими аналогичными зарядами)

частицы-переносчики фундаментальных взаимодействий (фотоны, гравитоны, глюоны, промежуточные векторные бозоны.).

характеристики фундаментальных взаимодействий определяются свойствами частиц-переносчиков: масштабы, в которых эффективно фундаментальное взаимодействие, определяются массой его частиц-переносчиков и способностью его зарядов взаимно
компенсироваться.

Фундаментальные взаимодействия, преобладающие между объектами в

микромире (сильное, слабое и электромагнитное)

макромире (электромагнитное)

мегамире (гравитационное)

Примерыобъектов, стабильность которых обеспечивается конкретным видом взаимодействия:

атом, молекула, вещество - электромагнитное

планетные системы, галактики - гравитационное

ядра атомов - сильное

Пространство, время, принципы симметрии, законы сохранения.

Понятие симметрии в естествознании: инвариантность относительно тех или иных преобразований

Нарушенные (неполные симметрии)

Эволюция как цепочка нарушений симметрии

Простейшие симметрии:

однородность (одинаковые свойства во всех точках)

изотропность (одинаковые свойства во всех направлениях)

Симметрии пространства и времени:

однородность пространства

однородность времени

изотропность пространства

Анизотропность времени

Теорема Нетер как общее утверждение о взаимосвязи симметрии с законами сохранения

Закон сохранения энергии как следствие однородности времени.

Закон сохранения импульса (количества поступательного движения) как следствие однородности пространства

Закон сохранения момента импульса (количества вращательного движения) как следствие изотропности пространства

Связь второго закона термодинамики (закона несохранения энтропии) с анизотропностью времени.

Эволюция представлений о пространстве и времени

Понимание пространства и времени как инвариантных самостоятельных сущностей

как пустота - у древнегреческих атомистов;

как абсолютное пространство и абсолютное время у Ньютона.

понимание пространства и времени как системы отношений между материальными телами (пространство как категория места, время как мера движения у Аристотеля;

изменение пространственных и временных промежутков при смене системы отсчета у Эйнштейна).

Классический закон сложения скоростей как следствие ньютоновских представлений об абсолютном пространстве и абсолютном времени.

Концепция мирового эфира

Нарушение классического закона сложения скоростей в опыте Майкельсона-Морли

отказ от идеи Абсолютных пространства и времени, мирового эфира и других выделенных систем отсчета и признание тесной взаимосвязи между пространством, временем, материей и её движением

Специальная теория относительности

Принцип относительности Галилея

Принцип относительности (первый постулат Эйнштейна): законы природы инвариантны

относительно смены системы отсчёта

Инвариантность скорости света (второй постулат Эйнштейна)

Постулаты Эйнштейна как проявление симметрии пространства и времени

Основные релятивистские эффекты (следствия из постулатов Эйнштейна):

относительность одновременности

относительность расстояний (релятивистское сокращение длин)

относительность промежутков времени (релятивистское замедление

времени)

инвариантность пространственно-временного интервала между

событиями.

инвариантность причинно-следственных связей.

единство пространства-времени

эквивалентность массы и энергии

Соответствие СТО и классической механики: их предсказания совпадают при малых скоростях движения (гораздо меньше скорости света)

Общая теория относительности

Общая теория относительности:

распространение принципа относительности на неинерциальные системы отсчета.

принцип эквивалентности: ускоренное движение неотличимо никакими измерениями от покоя в гравитационном поле.

взаимосвязь материи и пространства-времени: материальные тела изменяют геометрию пространства-времени, которая определяет характер движения материальных тел.

соответствие ОТО и классической механики: их предсказания совпадают в слабых гравитационных полях и при малых скоростях движения.

эмпирические доказательства ОТО:

отклонение световых лучей вблизи Солнца

замедление времени в гравитационном поле

смещение перигелия планетных орбит

6. Структурные уровни и системная организация материи

Микро – макро -,мегамиры

Вселенная в разных масштабах: микро-, макро- и мегамир

Критерий подразделения: соизмеримость с человеком (макромир) и несоизмеримость с ним (микро- и мегамир)

Основные структуры микромира: элементарные частицы, атомные ядра, атомы, молекулы

Основные структуры мегамира: планеты, звезды, галактики

Единицы измерения расстояний в мегамире: астрономическая единица (в Солнечной системе), световой год, парсек (межзвездные и межгалактические расстояния)

Звезда как небесное тело, в котором естественным образом происходили, происходят или с необходимостью будут происходить реакции термоядерного синтеза

Атрибуты планеты:

-не звезда

-обращается вокруг звезды (например, Солнца)

-достаточно массивно, чтобы под действием собственного тяготения стать шарообразным

- достаточно массивно, чтобы своим тяготением расчистить пространство вблизи своей орбиты от других небесных тел

Галактики – системы из миллиардов звезд, связанных взаимным тяготением и общим происхождением

Наша Галактика, её основные характеристики:

- гигантская (более 100 млрд. звёзд)

- спиральная

- диаметр около 100 тыс. световых лет

Пространственные масштабы Вселенной: расстояние до наиболее удалённых из наблюдаемых объектов более 10 млрд. световых лет Вселенная, Метагалактика, разница между этими понятиями.

Системные уровни организации материи

Целостность природы

Системность природы

Существование систем - как результат взаимодействий их компонентов

Аддитивные свойства систем (аддитивность)

Интегративные свойства систем (интегративность)

Совокупности, не являющиеся системами, например, созвездия (участки звездного неба, содержащие группы звёзд с характерным рисунком) и др.

Иерархичность природных структур как отражение системности природы: структуры данного уровня входят как подсистемы в структуру более высокого уровня, обладающую интегративными свойствами

Взаимосвязь системных уровней материи: физического, химического, биологического, социального

Редукционизм и витализм как примеры несистемного подхода к взаимоотношениям системных уровней организации материи

Иерархические ряды природных систем:

-физических (фундаментальные частицы – составные элементарные частицы) атомные ядра — атомы — молекулы — макроскопические тела)

-химических (атом – молекула – макромолекула – вещество)

-астрономических (звезды с их планетными системами – галактики) скопления галактик — сверхскопления галактик)

7. Структуры микромира

Элементарные частицы

Фундаментальные частицы - по современным представлениям, не имеющие внутренней структуры и конечных размеров (например, кварки, лептоны) Частицы и античастицы Принцип Паули. Классификация элементарных частиц:

по массе:

с нулевой массой (фотон);

лёгкие (лептоны);

тяжёлые (адроны)

по времени жизни:

стабильные (протон, электрон, нейтрино),

нестабильные (свободный нейтрон)

резонансы (нестабильные короткоживущие)

по зарядам (электрическому, цветовому, гравитационному - масса)

по спину: бозоны (с целочисленным спином – фотон, мезоны) и фермионы (с полуцелым спином – все лептоны, кварки, барионы), подчиняющиеся принципу Паули.

Бозонная природа частиц-переносчиков фундаментальных взаимодействий.

Вещество как совокупность устойчивых фермионных структур (кварки - нуклоны - атомные ядра - атомы с их электронными оболочками).

Размеры и масса ядра в сравнении с атомом

Виртуальные частицы

Физическое поле как совокупность реальных и виртуальных частиц. Физический вакуум как наинизшее по энергии состояние физических полей, в которых отсутствуют реальные частицы

Процессы в микромире

Взаимопревращения элементарных частиц (распады, рождение новых частиц при столкновениях, аннигиляция)

Возможность любых реакций элементарных частиц, не нарушающих законов сохранения (энергии, заряда и т.д.)

Естественная радиоактивность – явление самопроизвольного распада атомных ядер, его вероятностный характер

Основные виды радиоактивного распада: альфа- и бета-распады, деление.

Энергия связи ядра (дефект массы)

Выделение энергии при радиоактивном распаде.

Цепная реакция деления ядер (исходные ядра – дочерние ядра + нейтроны деление других ядер, стимулированное образующимися нейтронами)

Реакции синтеза легких атомных ядер.

Выделение энергии в реакциях ядерного синтеза в сравнении с реакциями

деления ядер.

Термоядерные реакции, необходимые для них условия (чрезвычайно высокие температура и давление).

Естественные термоядерные реакторы – звезды

Энергия связи нуклонов в ядре в сравнении с энергией связи электронов в атоме