Устройство нашего мира и Вселенной с позиций естествознания

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Устройство нашего мира и Вселенной с позиций естествознания

Естествознание

Естествознание - это совокупность наук о природе и об их взаимодействии. Концепция - обобщение, которое можно сделать на основании наблюдений.

Существует 2 культуры - научно-естественная и гуманитарная. Объектом изучения научно-естественного познания является природа, гуманитарного - жизнь общества.

Природа - это естественные процессы, независящие от человека.

Жизнь общества - это процессы, которые изучают цели, намерения, поступки людей.

Причины согласия между этими двумя культурами:

- научно-технический прогресс

- гуманитарии используют системный подход в изучении жизни общества

Две традиции в объяснении, понимании и предсказании явлений

Объяснение, понимание и предсказание являются функциями науки.

Объяснение - подведение факта, явления или события под некоторый общий закон, теорию или концепцию. Каузальные причины опираются на простые законы, полученные во время наблюдения. Номологическое объяснение опирается на более общие законы (от обобщённых эмпирических наблюдений до научных теорий или системы теорий) и тщательно проверяются.

У гуманитариев:

- законы просты и тривиальны

- законы сложны, запутанны и даже ещё не открыты.

- если использовать объяснения, то только финалистские (опираются на раскрытые цели, намерения и мотивы поведения людей)

Понимание - способ, посредством которого можно интерпретировать или истолковывать явления и события индивидуальной духовной жизни и гуманитарной деятельности.

Поход к познанию через понимание - герменевтический.

Подходы к пониманию:

1. Психологический - понимание через переживания - когда одним человеком переживается жизненный опыт другого человека, его эмоции и настроения. Пример - шоу «За стеклом».

2. Теоретический - интерпретация или истолкование определённых фактов, событий и процессов (раскрытие целей, смысла поступков людей)

В объяснении и предсказании используется логический вывод, а в понимании - нет. Предвидение или предсказание - по логической структуре не отличается от объяснения, но основывается на выводе высказываний о фактах, из общих утверждений, но сами факты остаются гипотетическими и их ещё надо открыть. Относится к будущему. Обычно точно, т.к. опирается на научные факты в точных науках (например, расчёт орбиты спутника).

В гуманитарных науках предсказание носит вероятностный и статистический характер. Чем сложнее процессы, которые изучает та или иная наука, тем труднее абстрагироваться в ней от целого ряда свойств и особенностей этих процессов. Следует особо подчеркнуть влияние субъективного гуманитарного фактора в социально-гуманитарном познании.

Единство науки и научный метод

Окружающий нас мир един, поэтому все элементы в нём взаимосвязаны и взаимодействуют. Знание об окружающем мире должно быть едино. Единство знания формирует 2 подхода:

- дифференциация

- интеграция

В начале развития общества знания просто накапливались (кумулятивизм). Познание мира происходит в результате научных революций, когда происходит пересмотр программ, методов, идей.

Дифференциация научного знания служит необходимым этапом в развитии науки, и она направлена на более тщательное и глубокое изучение отдельных явлений и процессов в определённой области деятельности.

Интеграция научного знания осуществляется в различных формах, начиная от применения понятия теории и методов одной науки к другой и кончая системным подходом.

Научный метод - яркое воплощение единства всех форм знаний о мире. Тот факт, что познание в естественных и гуманитарных науках совершается по некоторым общим принципам, правилам и способам деятельности, свидетельствует о взаимосвязи и единстве наук, об их общем источнике.

Научный метод делится на эмпирический и теоретический.

Эмпирический метод познания делится на 3 этапа:

- наблюдение (ставит проблему)

- теоретическая (выдвигается гипотеза)

- эксперимент (гипотеза проверяется экспериментом)

Современные физические концепции

Представление о пространстве

Представление человека о пространстве развивалось с развитием человечества и самого человека. Первой наукой, которая пыталась объяснить пространство являлась геометрия (греч. - измерение Земли).

В 3в. до н.э. Евклид создал 15 «Книг начал», где он определили, что такое точка, прямая линия, поверхность плоскости - все постулаты геометрии, на которых зиждились все представления о пространстве в течение долгого времени. Так, 5-й постулат гласит: «Сумма внутренних углов треугольника равна 180 градусам». Если в нашем пространстве этот постулат верен, то это значит, что это «евклидово пространство».

Лобачевский разработал замкнутую геометрическую систему: В пространстве Лобачевского через точку может пройти несколько прямых, параллельных заданной. Его идеи развил Риман. Он построил геометрию на сфере. В римановом пространстве не существует линий, параллельных заданной. Параллельные линии он проводил через полюса сферы. Первым опыты по измерению треугольников проводил Гаусс. Он брал треугольники с большими базами (напр., гора). Его опыты продолжил Лобачевский, увеличив базу треугольника (диаметр Земли). В этих опытах было доказано, что сумма внутренних углов треугольника равна 180 градусам, а значит, мы живём в «евклидовом пространстве». Однако точного ответа на определение пространства нет. У нас есть выбор между разными точками зрения.

Ньютон: «Если точка в пространстве движется криволинейно, то на неё действуют силы».

Эйнштейн: «Пространство не «евклидово»»

Но выводы из теорий Ньютона и Эйнштейна совпадают.

Хаусдорф доказал существование пространства с дробной размерностью - фрактальное.

Объекты фрактального пространства - «снежинка Коха», береговая линия. В математике есть понятие бесконечности, и отсутствует понятие делимости. В реальной жизни понятия бесконечности не существует.

Время

Ещё с давних времён человек задумывался о времени и о том, можно ли его измерить. Человек непосредственно может ощущать промежутки времени. Самый маленький промежуток времени, который ощущает человек - 0,1 сек. (щелчок пальцами). Реакция человека на внешние воздействия - 0,2 сек. «Внутренняя минута» человека - 63-70 сек. Если «внутренняя минута» короче, то человек плохо приспособлен для жизни.

Естественные единицы измерения времени - день, год, времена года, лунные сутки - циклические и обратимые, т.е. повторяются изо дня в день, из года в год и т.п. и зависят от вращения Земли. На основе циклических событий создан метод датировки исторических событий (по затмениям, отливам, приливам и т.п.) Направленные процессы обладают «стрелой времени» (напр., радиоактивное излучение). С помощью анализа распада изотопов можно определить возраст тех или иных веществ (радиоуглеродный анализ). Обратимые процессы имеют приближённый характер. Законы, которые обратимы во времени, нуждаются в оговорках и дополнительных условиях.

Необратимые процессы чаще всего встречаются на биологическом уровне (человеческая жизнь).

Согласно «Классической механике» Ньютона, время - абсолютно вне зависимости от событий. Существуют 3 пространственные координаты и введён некий параметр - время. Пространство - 3-мерно, время - 1-мерно, и они оба бесконечны. Эталоны длины и времени универсальны и не зависят от характера движения системы. Например, если метр передвинуть в пространстве, то его длина не изменится.

Если в уравнениях Т (время) заменить на -Т (т.е. обратить время), то вид уравнений не изменится.

Пространство и время неравноправны.

Эйнштейн: «Единое пространство-время».

Человек определяет время как промежуток между двумя событиями.

Галилей: «Отрезки времени между двумя одними и теми же событиями одинаковы для всех наблюдателей».

Эйнштейн: «Никто не может сравнить свои часы с часами внешнего пространства».

Из-за конечности скорости света одновременные события в одной системе отсчёта неодновременны в другой, т.е. время в одной из систем отсчёта замедляется. Это показывается в экспериментах с мюмизонами.

Мюмизоны - это элементарные частицы, которые находятся за пределами атмосферы нашей планеты. Скорость их движения и распада настолько велика, что они должны исчезать, пролетев 450 метров. Но учёные смогли их обнаружить на Земле, потому что из-за высокой скорости движения мюмизонов, скорость их распада замедляется, и, т.о., они могут пролететь гораздо больше.

Этот феномен объясняется и гипотетическим экспериментом с близнецами. Если одно из них посадить на космический корабль и на скорости света отправить на несколько часов (лет) в космос, а потом вернуть на Землю, то тот близнец, который остался на Земле, будет гораздо старше первого на момент его приземления.

Пространство и время

Понятия пространства и времени являются философскими категориями и не определяются в естествознании. Для естественных наук важно уметь определять их численные характеристики - расстояния между объектами и длительности процессов, а так же - описывать их свойства, поддающиеся экспериментальному изучению.

Измерение расстояний. Проблема ограниченности Вселенной. Измерить расстояние между двумя объектами - значит сравнить его с эталонным. До недавнего времени в качестве эталона использовалось тело, сделанное из твердого сплава, геометрическая форма которого слабо изменялась при изменении внешних условий. В качестве единицы длины был выбран метр, отрезок, сравнимый с характерными размерами человеческого тела. Очевидно, что в большинстве случаев эталон не укладывался целое число раз на длине измеряемого отрезка. Оставшаяся часть измерялась при помощи 1/10, 1/100 и т. эталона. В принципе считалось, что такую процедуру можно продолжать до бесконечности, в результате чего получалось бы точное значение длины, выражаемое бесконечной десятичной дробью, т.е. вещественным числом. (В математике понятие вещественного числа возникло как результат обобщения описанной процедуры измерения длин отрезков).

На практике многократное деление исходного эталона было невозможно. Для повышения точности измерения и измерения малых отрезков потребовался эталон существенно меньших размеров, в качестве которого по настоящее время используются стоячие электромагнитные волны оптического диапазона.

В природе существуют объекты, значительно меньшие длин волн оптического излучения (молекулы, атомы, элементарные частицы). При их измерениях помимо неудобства сравнения с эталоном больших размеров возникает более принципиальная проблема: объекты, размеры которых меньше длины волны электромагнитного излучения, перестают его отражать и, следовательно, оказываются невидимыми. Для оценки размеров таких мелких объектов свет заменяют потоком каких-либо элементарных частиц (электронов, нейтронов и т.д.). Величина объектов оценивается по т.н. сечениям рассеяния, определяемым отношением числа частиц, изменивших направления своего движения, к плотности падающего потока. Наименьшим расстоянием, известным в настоящее время, является характерный размер элементарной частицы (м). Говорить о меньших размерах, по-видимому, бессмысленно.

При измерении расстояний, значительно превышающих 1м, пользоваться эталоном длины вновь оказывается неудобно. Для измерения расстояний, сравнимых с размерами Земли, применяют методы триангуляции (определение большей стороны треугольника по точно измеренной меньшей стороне и двум углам) и радиолокации (измерение времени задержки отраженного сигнала, скорость распространения которого известна, относительно момента передачи), Для много больших расстояний (до удаленных звезд и соседних галактик) указанные методы оказываются вновь неприменимы (отраженный радиосигнал оказывается слишком слабым, углы треугольника отличаются от на слишком малую величину). На столь больших расстояниях наблюдаемыми оказываются только самосветящиеся объекты (звезды и галактики), расстояния до них оценивается исходя из наблюдаемой яркости.

Размеры наблюдаемой части вселенной имеют размеры порядка м. Вопрос о том, имеют ли смысл большие расстояния сводится к проблемам конечности и ограниченности Вселенной, до сих пор окончательно не решенным космологией. Со времен Ньютона считалось, что окружающий нас мир однороден и не может иметь границ (в противном случае возникал вопрос о их физической природе и о том, “что находится по другую сторону”). Однако, предположение о бесконечности Вселенной, совместно с естественным допущением о равномерном распределении звезд по объему и беспрепятственном распространении света в пространстве, приводил к заведомо абсурдному выводу о бесконечно ярком свечении ночного неба (т.н. парадокс ночного неба). Позднее пришло понимание того, что понятия бесконечности и неограниченности не эквивалентны друг другу (напр. шар не имеет границ, но площадь его конечна).

Измерение интервалов времени. Возраст Вселенной. Измерить длительность процесса - значит сравнить его с эталонным. В качестве последнего удобно выбрать какой-либо периодически повторяющийся процесс (суточное вращение Земли, биение человеческого сердца, колебание маятника, движение электрона вокруг ядра атома). Долгое время в качестве эталонного процесса использовались колебания маятника. За единицу измерения времени выбрали секунду (интервал, примерно равный периоду сокращения сердечной мышцы человека).

Для измерения значительно более коротких времен возникла необходимость в новых эталонах. В их роли выступили колебания кристаллический решетки (кварцевые часы имеют характерный период колебаний в 1нс= с) и движение электронов в атоме (атомные часы с характерным временем с ). Еще меньшие времена можно измерять, сравнивая их со временем прохождения света через заданный промежуток. по-видимому, наименьшим осмысленным интервалом является время прохождения света через минимально возможное расстояние ( с ).

При помощи маятниковых часов возможно измерение временных интервалов, значительно превосходящих 1с (человеческая жизнь длится около с), но и здесь возможности метода не беспредельны. Времена, сравнимые с возрастом Земли (ок. с) возможно оценивать лишь по полураспаду атомов радиоактивных элементов. Максимальным промежутком времени, о котором имеет смысл говорить в нашем мире, по-видимому является возраст Вселенной, оцениваемый периодом в с (началом существования нашего мира принято считать Большой взрыв, произошедший в весьма малой области пространства, в результате которого возник наблюдаемый сейчас мир, представляющий собой совокупность объектов, разлетающихся от начальной точки; события, произошедшие до Большого взрыва никак не влияют на настоящее и, следовательно, могут не рассматриваться).

В классическом естествознании, занимающимся главным образом описанием макроскопических (сравнимых с размерами человеческого тела) объектов, предполагается, что процедура измерения основных пространственно-временных характеристик (расстояний и длительностей) в принципе может быть выполнена сколь угодно точно и при этом может практически не влиять на измеряемый объект и происходящие с ним процессы.

Геометрические свойства пространства и времени

Геометрические свойства пространства изучаются геометрией, традиционно базирующейся на системе аксиом Евклида. В отличие от математики, для естествознания небезынтересен вопрос, соответствуют ли эти аксиомы реальным свойствам нашего пространства (напр. вполне мыслима ситуация, в которой сумма углов треугольника может отличаться от ). Опыт показывает, что для наблюдателя, движущегося без ускорения вдали от массивных тел, аксиоматика Евклида выполняется с хорошей точностью.

Важной характеристикой материальных систем является их число степеней свободы (минимальной количество чисел, необходимое для исчерпывающего описания положения объекта в пространстве). Чем большим числом степеней свободы обладает объект, тем более трудоемко его описание. Возникает естественный вопрос о минимальном числе степеней свободы, которым может обладать объект в нашем мире. Опыт показывает, что для не взаимодействующих с другими объектами тел это число равно 3 (тремя степенями свободы обладают, например, элементарные частицы с нулевым спином). Об этом свойстве нашего пространства говорят как о его трехмерности (иногда говорят, что трехмерность означает возможность задания трех взаимно перпендикулярных направлений в пространстве). Число степеней свободы большинства реальных объектов может быть существенно большим (спортивный велосипед с хорошо затянутыми болтами и гайками обладает как минимум 18 степенями свободы), однако при решении многих практических задач “внутренние степени свободы” оказываются несущественными (на финише велогонки положение педалей велосипеда лидера никем не регистрируется). Число рассматриваемых степеней свободы можно существенно сократить вплоть до трех (при движении в пространстве), двух (при движении по поверхности) или одной (при движении вдоль заданной кривой). Реальное тело при этом по существу заменяется моделью материальной точки (тело, размеры и форма которого в рассматриваемой ситуации несущественны).

Для задания временных характеристик процессов может понадобиться несколько вещественных чисел (жизнь человека можно характеризовать, например, моментами его рождения, свадьбы и смерти). Однако существуют явления, для исчерпывающего временного описания которых достаточно одного числа (напр. распад элементарной частицы, который не имеет длительности, поскольку не может быть разделен на какие-то промежуточные процессы). Существование таких “элементарных” процессов позволяет утверждать, что время одномерно.

Аналогично тому, как в пространственном описании вводилась модельное представление о материальной точке, при описании эволюции во времени можно ввести понятие мгновенного события, т.е. процесса, длительностью которого в рассматриваемой ситуации можно принебречь (напр. удар мяча о стену часто можно считать мгновенным, хотя детальное рассмотрение показывает, что это весьма сложный и многоэтапный процесс).

Относительность свойств пространства и времени. Во времена Ньютона считалось, что свойства пространства и времени абсолютны, т.е. не зависят от наличия материальных тел, протекающих процессов и наблюдателей. Современная физика показала ограниченность таких представлений: геометрические свойства пространства и времени тесно связаны с наличием и расположением массивных тел, зависят от характера протекающих процессов и даже от состояния наблюдателя. В связи с этим сейчас принято говорить, что свойства пространства и времени относительны.

В классическом естествознании рассматриваются макроскопические объекты и явления, происходящие в существующих независимо от них и друг от друга пространстве и времени, носящих абсолютный характер.

Корпускулярная и континуальная концепции описания природы

Концепции развивались с т.з. дискретности (прерывности) и недискретности (непрерывности).

Корпускулярная теория - атомизм. Её развитие - механическая картина мира. Поле определяется через силы, действующие на пробный заряд (выбранный нами), помещённый в данной точке пространства. Поле непрерывно и плавно переходит от точки к точке, в каждой из которых существует некоторое значение - характеристика поля.

Поля бывают:

- электромагнитные

- поля ядерных сил

- гравитационные

- волновые поля элементарных частиц

Вещество слагается из элементарных частиц, масса которых не равная нулю и пропорциональна энергии покоя: Е=mc²

Концепция поля

Заряженные частицы взаимодействуют друг с другом на расстоянии в пустом пространстве. Возникает вопрос о механизме возникновения этих сил. Достаточно естественной выглядит полевая концепция, согласно которой каждый заряд создает вокруг себя в пространстве “нечто”, называемое электрическим полем, а действующая на другой заряд сила возникает вследствие его взаимодействия с полем в той точке пространства, где он находится. Т.о. поле выступает в роли переносчика взаимодействия между заряженными частицами.

В пользу объективного существования поля свидетельствуют следующие факты:

1. Конечность скорости распространения изменения поля, вызванного изменением его источника.

2. Наличие энергии в “пустом” пространстве, заполненным полем, которое в принципе может быть зарегистрировано не только при помощи электростатических взаимодействий.

3. Возможность существования поля после исчезновения его источника.

Введенная для электромагнитных взаимодействий, полевая концепция оказалась весьма удобной. Она позволяет разбивать задачу о взаимодействии тел на две: расчет поля в точке расположения частицы и расчет силы, возникающей при ее взаимодействии с этим полем. В настоящее время понятие поля используется для описания всех типов фундаментальных взаимодействий.

Электростатическое поле и его свойства. Электростатическое поле создается заряженными частицами. В случае нескольких частицы выполняется принцип суперпозиции: полное поле равно сумме полей, создаваемых каждым из источников. Количественной характеристикой электростатического поля является вектор напряженности Е, равный по определению силе, действующей со стороны поля на единичный заряд, помещенный в рассматриваемую точку пространства.

(4)

Графически поле удобно изображать в виде силовых линий, кривых, в каждой точке которых вектор Е направлен по касательной. Величина напряженности определяется густотой линий. Линии вектора Е начинаются на положительных зарядах или на бесконечности, оканчиваются - на отрицательных или на бесконечности. Замкнутых линий электростатического поля не существует.

Магнитное поле и его свойства. Магнитные поля создаются движущимися зарядами, подчиняются принципу суперпозиции и могут быть рассчитаны согласно:

(8) .

Обычно магнитные поля изображают с помощью линий, в каждой точке которых вектор В направлен по касательной. В случае движущегося равномерно и прямолинейно заряда линии В представляют собой семейство окружностей с центрами, лежащими на его траектории. В общем случае линии магнитного поля представляют собой замкнутые кривые, нигде не возникающие и не обрывающиеся. Поля с такими свойствами называют вихревыми.

Электрические и магнитные поля в веществе

С точки зрения теории электричества вещество при нормальных условиях можно рассматривать как вакуум с относительно небольшим количеством связанных зарядов и молекулярных токов. Первые представляют собой главным образом совокупности положительно заряженных ядер и окружающих их отрицательно заряженных электронных облаков; вторые - обусловлены движением электронов в атомах и специфическим (присущим микрообъектам) внутренним движением - спином. Полные электрическое и магнитное поля в веществе является суперпозицией внешних полей (создаваемых “свободными” зарядами и токами) и полей, создаваемых зарядами вещества. При отсутствии внешнего поля заряды и токи в веществе обычно распределяются так, что их средние электрическое и магнитное поля оказываются равными нулю. Внешние поля вызывают перераспределение связанных зарядов и молекулярных токов и, как следствие, появление дополнительных полей в веществе.

В большинстве веществ (диэлектрика) отрицательно заряженные электроны достаточно крепко связаны электрическими силами с положительными ядрами, и внешнее поле не способно привести к значительному перераспределению зарядов. В таких веществах электрическое поле оказывается меньшим по сравнению с полем, которое создавали бы свободные заряды в вакууме. В металлах электроны способны практически беспрепятственно перемещаться и под действием электрического поля двигаются до тех пор, пока не создадут в веществе конфигурации, при которой полное поле обратится в 0. В диэлектриках электрическое поле ослабевает, в металлах равно 0.

По отношению к реакции на внешнее магнитное поле вещества подразделяются на диамагнетики (ослабляют магнитное поле), парамагнетики (поле в веществе незначительно увеличивается) и ферромагнетики (поле возрастает в десятки тысяч раз и не исчезает после выключения внешнего поля). В отличие от электростатики, непротиворечивая теория магнитных свойств вещества может быть изложена лишь на языке квантовой механики.

Типы взаимодействий

Люди находятся под воздействием самых разнообразных сил - трение, электромагнитное излучение, сила тяжести и т.д.

Силы взаимодействия	Дальность действия	Объекты взаимодействия	Расстояние
гравитационное	дальнодействующие	массивные объекты	сколь угодно далеко
электромагнитное		электрические заряды (подвижные и неподвижные)
слабое	короткодействующие	все элементарные частицы
ядерное (сильное)		адроны (протоны, нейтроны и мезоны)

Гравитационное взаимодействие

Сначала человек узнал о гравитационном взаимодействии, когда Ньютон открыл закон всемирного тяготения.

F_п=G M₁M₂

R²

F_п - сила притяжения

G - коэффициент пропорциональности или гравитационная постоянная (6,6745*10^-11)

Гравитационное взаимодействие распространяется со скоростью света, а не мгновенно, как считали раньше.

F_к ? LMR

F_к - космологическая сила отталкивания

R - расстояние между телами

M - масса отталкиваемого тела

L - коэффициент пропорциональности (пока не найден)

Космологическая сила отталкивания в 10²⁵ раз меньше, чем сила притяжения. Например, два тела массой 10⁴¹ кг на расстоянии 10²² м (10 млн. световых лет) друг от друга будут уравновешиваться - не отталкиваться и не притягиваться.

Особенности гравитационных сил

Принцип эквивалентности. Сформулированный И. Ньютоном закон гравитации по форме весьма схож с законом Кулона:

(2) ,

что позволяет по аналогии с электрическим зарядом ввести гравитационный заряд (или гравитационную массу) - меру способности тел участвовать в гравитационных взаимодействиях. Гравитационная масса оказывается строго пропорциональной массе инертной (вводимой как коэффициент пропорциональности между силой и ускорением во втором законе Ньютона). Именно эта пропорциональность позволила измерять гравитационные заряды в тех же единицах, что и инертную массу (коэффициент пропорциональности “спрятан” в гравитационную постоянную).

Пропорциональность гравитационной силы инертной массе делает ее весьма схожей с силой инерции. В частности при поступательном движении неинерциальной системы отсчета с ускорением, равным ускорению свободного падения, вдоль направления гравитационных сил наступает полная компенсация сил тяготения и инерции - явление невесомости. Помещенный в закрытый лифт наблюдатель, ощущая исчезновение веса, не может решить, что произошло в действительности: либо лифт начал падать вниз с ускорением свободного падения, либо исчезло гравитационное поле Земли.

Обобщая описанный мысленный эксперимент, А.Эйнштейн пришел к формулировке принципа эквивалентности: никаким опытом наблюдатель, помещенный в замкнутую систему отсчета не может установить, движется ли эта система отсчета с ускорением в пустом пространстве или покоится во внешнем гравитационном поле.

Принцип эквивалентности в значительной степени устраняет “выделенность” инерциальных систем отсчета и позволяет исключить из теории само понятие гравитационных взаимодействий, факт наличия или отсутствия которых установить опытным путем, вообще говоря, оказывается невозможным. Наблюдаемые же на опыте отклонения траектории тел, перемещающихся вблизи массивных объектов трактуются не как результат взаимодействия, а как следствие искривления пространства.

Электромагнитное взаимодействие

В 17в. было введено понятие электрического заряда. В 1900г. Гильберт разделил электрические и магнитные заряды.

Тогда же Кулоном был открыт закон силы электростатического взаимодействия.

F = 1 * Q₁Q₂

4ре R²

е - величина, которая характеризует свойства среды (воздух, вода и т.п.) - прозрачность, проницаемость и т.п.

Q - электрический заряд или величина, кратная заряду электрона

Томсон обнаружил электрон в опыте с в-лучами и определил, что отрицательный заряд принадлежит электрону.

Модель атома Томсона. Идея о существовании неделимых частиц, слагающих вещество, уходит своими корнями в древнегреческую философию. Возникшие на классическом этапе развития естествознания химия и молекулярная теория газов рассматривали вещество как совокупность молекул, а в последствии - атомов (для объяснения химических реакций было необходимо предположение о перестройке молекул, а следовательно - существовании составляющих ее более мелких частиц). В конце 19 века стало ясно, что атомы сами обладают структурой, поскольку способны испускать гораздо более мелкие отрицательно заряженные частицы - электроны. Электрическая нейтральность атома требовала предположения о наличии в нем положительно заряженных частей. Томсоном была предложена модель, согласно которой электроны атома “вкраплены в упругое положительное желе” и способны совершать в нем гармонические колебания. Несмотря на некоторую наивность такой модели, она оказалась весьма работоспособной из-за того, что любая система вблизи положения устойчивого равновесия может совершать колебания, которые в грубом приближении можно считать гармоническими.

Атом Томсона - пример ошибочной (с точки зрения сегодняшнего взгляда на вещи) модели, приводящей к правильному математическому описанию широкого круга явлений.

e^z = 1 - постоянная тонкая структура (используется в оптике и спектроскопии)

hc 137

h - постоянная Планка, выведенная через h .

2р

с - скорость света

В 1820г. Эрстед и Ампер изучали подвижные заряды (в проводах эл. тока). Эрстед увидел, что рядом с проводом магнитная стрелка отклоняется. Ампер позже увидел взаимодействие между 2 проводами, из чего он вывел закон электромагнитной индукции.

Затем стали рассматриваться магнитные заряды, и появилось понятие «магнитный диполь», т.е. 2 заряда вместе. До Дирака считалось, что по отдельности магнитные заряды не встречаются. Он ввёл понятие «монополь».

Электростатические взаимодействия. Как и другие фундаментальные понятия физики, понятие заряда не может быть строго определено. По существу заряженными мы называем тела, способные участвовать в электромагнитных взаимодействиях. В общем случае эти взаимодействия достаточно сложны и зависят не только от взаимного расположения тел и их свойств, но и от скоростей движения. В простейшем случае, когда оба заряженных тела покоятся, взаимодействие между ними называются электростатическими. В случае точечных заряженных тел (т.е. тел, размеры которых малы по сравнению с расстоянием между ними) электростатические взаимодействия описываются законом Кулона:

Сила, действующая между двумя точечными покоящимися зарядами обратно пропорциональна квадрату расстояния между ними и направленными вдоль прямой, соединяющие эти частицы:

(1) .

Т.о. заряженными можно назвать такие тела, которые, находясь в покое, взаимодействуют с силой (1). Такая зависимость от расстояния отличает электростатические взаимодействия от ядерных, убывающих с расстоянием значительно быстрее.

Гравитационные силы, как и электростатические, убывают обратно пропорционально квадрату расстояния. Имеются следующие принципиальные различия между этими силами:

1. Электростатические силы существенно превосходят гравитационные (например, электростатическое притяжение электрона к ядру атома превосходит гравитационные в раз.

2. Электростатические силы могут быть как силами притяжения, так и отталкивания, в то время как гравитационные - только притяжения.

3. Величина гравитационных сил пропорциональна массам взаимодействующих тел, что приводит к специфическому для гравитации явлению невесомости. Подобной зависимости от массы в электростатических силах не наблюдается.

Магнитные взаимодействия. Опыт показывает, что силы, возникающие между зарядами при их движении, отличаются от электростатических. Для описания возникающих отличий был введен новый тип взаимодействий - магнитные и их переносчик - магнитное поле. Для количественного магнитных полей был введен вектор магнитной индукции В так, чтобы действующая на движущейся со скоростью v заряд Q сила вычислялась по формуле:

(6) ,

где символ “[ , ]” использован для обозначения операции векторного умножения, определяемой в трехмерном случае соотношением:

(7)

и представляет собой вектор, числено равный площади параллелограмма, построенного на перемножаемых векторах, и направленный перпендикулярно его плоскости в стороны, определяемую по правилу правой руки.

Ядерное (сильное) взаимодействие

В 1935г. первым это понятие ввёл японский физик Юкава. Частицы (нуклоны, т.е. протоны + нейтроны) в ядре взаимодействуют между собой. переносчиками этого взаимодействия являются мезоны (открыты в 1947г.)

радиус взаимодействия адронов - от 10^-15 м до 10^-13 м.

10^-10 м - размеры атома, где ядерные взаимодействия не работают, но работают электромагнитные силы, которые определяют биологические и химические процессы, в то время как ядерные взаимодействия определяют термоядерные процессы.

Сильные ядерные взаимодействия

В настоящее время надежно установлено, что составляющие вещество атомы представляют собой положительные ядра, окруженные отрицательно заряженными электронными облаками. В свою очередь ядра состоят из тяжелых частиц нуклонов:

положительных протонов и незаряженных нейтронов. Для обозначения причин, удерживающих находящиеся в ядре положительные частицы от разлетания из-за электрического отталкивания были введены сильные ядерные взаимодействия. Ядерные силы существенно превосходят электрические лишь на расстояниях, сравнимых с размерами ядра, и очень быстро ослабевают при удалении нуклонов друг от друга (поэтому такие силы называют близко действующими). Механизм возникновения ядерных сил до сих пор окончательно не выяснен, хотя их свойства хорошо изучены экспериментально и находят практическое применение.

Слабое взаимодействие

Слабое взаимодействие стало известно благодаря итальянскому физику Ферми в 1931г. Он обнаружил слабые взаимодействия в ядрах атома.

Пример: редкий нейтрино задержится, проходя сквозь Землю. Но слабые взаимодействия позволили выявить эти частицы.

Интенсивность взаимодействий зависит от многих факторов:

- энергия (чем она больше, тем больше взаимодействие)

- расстояние (с увеличением расстояния слабое и ядерное взаимодействие уменьшаются резко, а гравитационное и электромагнитное - плавно)

- способ взаимодействия

Дальнодействующие взаимодействия происходят без посредника со скоростью, не большей, чем скорость света. В близкодействующих взаимодействиях участвуют посредники.

Взаимодействие тел

Взаимодействие тел

Опыт показывает, что при сближении тел (или систем тел) характер их поведения меняется. Поскольку эти изменения носят взаимный характер, говорят, что тела взаимодействуют друг с другом. При разведении тел на очень большие расстояния (на бесконечность) все известные на сегодняшний день взаимодействия исчезают. Галлилей первым дал правильный ответ на вопрос, какое движение характерно для свободных (т.е. не взаимодействующих тел). Вопреки существующему тогда мнению, что свободные тела “стремятся” к состоянию покоя (), он утверждал, что при отсутствии взаимодействия тела находятся в состоянии равномерного движения (), включающего покой как частный случай.

Инерциальные системы отсчета

В рамках формального математического подхода, реализуемого в кинематике, утверждение Галилея выглядит бессмысленным, поскольку равномерное в одной системе отсчета движение может оказаться ускоренным в другой, которая “ничем не хуже” исходной. Наличие взаимодействия позволяет выделить особый класс систем отсчета, в которых свободные тела движутся без ускорения (в этих системах большинство законов природы имеют наиболее простую форму). Такие системы называются инерциальными. Все инерциальные системы эквивалентны друг другу, в любой из них законы механики проявляются одинаково. Это свойство было также отмечено Галилеем в сформулированном им принципе относительности: никаким механическим опытом в замкнутой (т.е. не сообщающейся с внешним миром) системе отсчета невозможно установить покоится ли она или равномерно движется. Любая система отсчета, равномерно движущаяся относительно инерциальной тоже является инерциальной.

Между инерциальными и неинерциальными системами отсчета существует принципиальное отличие: находящийся в замкнутой системе наблюдатель способен установить факт движения с ускорением последних, “не выглядывая наружу”(напр. при разгоне самолета пассажиры ощущают, что их “вдавливает” в кресла). В дальнейшем будет показано, что в неинерциальных системах геометрия пространства перестает быть евклидовой.

Законы Ньютона как основа классической механики

Сформулированные И. Ньютоном три закона движения в принципе позволяют решить основную задачу механики, т.е. по известным начальному положению и скорости тела определить его положение и скорость в произвольный момент времени.

Первый закон Ньютона постулирует существование инерциальных систем отсчета. Второй закон Ньютона утверждает, что в инерциальных системах ускорение тела пропорционально приложенной силе, физической величине, являющейся количественной мерой взаимодействия. Величину силы, характеризующей взаимодействие тел, можно определить, например, по деформации упругого тела, дополнительно введенного в систему так, что взаимодействие с ним полностью компенсирует исходное. Коэффициент пропорциональности между силой и ускорением называют массой тела:

(1) F=ma

Под действием одинаковых сил тела с большей массой приобретают меньшие ускорения. Массивные тела при взаимодействии в меньшей степени меняют свои скорости, “стремясь сохранить естественное движение по инерции”. Иногда говорят, что масса является мерой инертности тел.

К классическим свойствам массы следует отнести 1) ее положительность (тела приобретают ускорения в направлении приложенных сил), 2) аддитивность (масса тела равна сумме масс его частей), 3) независимость массы от характера движения (напр. от скорости).

Третий закон утверждает, что взаимодействия оба объекта испытывают действия сил, причем эти силы равны по величине и противоположно направлены.

Типы фундаментальных взаимодействий

Попытки классификации взаимодействий привели к идее выделения минимального набора фундаментальных взаимодействий, при помощи которых можно объяснить все наблюдаемые явления. По мере развития естествознания этот набор менялся. В ходе экспериментальных исследований периодически обнаруживались новые явления природы, не укладывающиеся в принятый фундаментальный набор, что приводило к его расширению (например, открытие структуры ядра потребовало введения ядерных сил). Теоретические же осмысление, вцелом стремящееся к единому, максимально экономному описанию наблюдаемого многообразия, неоднократно приволило к “великим объединениям” внешне совершенно несхожих явлений природы (ньютон понял, что падение яблока и движение планет вокруг Солнца являются результатами проявления гравитационных взаимодействий, Эйнштейн установил единую природу электрических и магнитных взаимодействий, Бутлеров опроверг утверждения о различной природе органических и неорганических веществ).

В настоящее время принят набор из четырех типов фундаментальных взаимодействий: гравитационные, электромагнитные, сильное и слабые ядерные. Все остальные, известные на сегодняшний день, могут быть сведены к суперпозиции перечисленных.

Гравитационные взаимодействия обусловлены наличием у тел массы и являются самыми слабыми из фундаментального набора. Они доминируют на расстояниях космических масштабов (в мега-мире).

Электромагнитные взаимодействия обусловлены специфическим свойством ряда элементарных частиц, называемым электрическим зарядом. Играют доминирующую роль в макро мире и микромире вплоть на расстояниях, превосходящих характерные размеры атомных ядер.

Ядерные взаимодействия играют доминирующую роль в ядерных процессах и проявляются лишь на расстояниях, сравнимых с размером ядра, где классическое описание заведомо неприменимо.

В настоящее время стали весьма популярны рассуждения о биополе, при помощи которого “объясняется” ряд не очень надежно установленных на эксперименте явлений природы, связанных с биологическими объектами. Серьезное отношение к понятию биополя зависит от того, какой конкретный смысл вкладывается в этот термин. Если понятие биополя используется для описания взаимодействий с участием биологических объектов, сводящихся к четырем фундаментальным, такой подход не вызывает принципиальных возражений, хотя введение нового понятия для описания “старых” явлений противоречит общепринятой в естествознании тенденции к минимизации теоретического описания. Если же под биополем понимается новый тип фундаментальных взаимодействий, проявляющийся на макроскопическом уровне (возможности существования которого априорно, очевидно, отрицать бессмысленно), то для столь далеко идущих выводов необходимы очень серьезные теоретические и экспериментальные обоснования, сделанные на языке и методами современного естествознания, которые до настоящего времени представлены не были.

Законы Ньютона и основная задача механики. Для решения основной задачи механики (определение положения тела в произвольный момент времени по известным начальному положению и скорости) достаточно найти ускорение тела как функцию времени a(t). Эту задачу решают законы Ньютона (1) при условии известных сил. В общем случае силы могут зависеть от времени, положения и скорости тела:

(2) F=F(r,v,t) ,

т.е. для нахождения ускорения тела необходимо знать его положение и скорость. Описанная ситуация в математике носит название дифференциального уравнения второго порядка:

(3) ,

(4)

В математике показывается, что задача (3-4) при наличии двух начальных условий (положение и скорость в начальный момент времени) всегда имеет решение и притом единственное. Т.о. основная задача механики в принципе всегда имеет решение, однако найти его часто бывает весьма трудно.

Детерминизм Лапласа

Немецкий математик Лаплас применил аналогичную теорему о существовании и единственности решения задачи типа (3-4) для системы из конечного числа уравнений для описания движения всех взаимодействующих друг с другом частиц реального мира и пришел к выводу о принципиальной возможности расчета положения всех тел в любой момент времени. Очевидно, что это означало возможность однозначного предсказанная будущего (хотя бы в принципе) и полную детерминированность (предопределенность) нашего мира. Сделанное утверждение, носящее скорее философский, а не естественно научный характер, получило название детерминизма Лапласа. При желании из него можно было сделать весьма далеко идущие философские и социальные выводы о невозможности влиять на предопределенный ход событий. Ошибочность этого учения состояла в том, что атомы или элементарные частицы (“материальные точки”, из которых составлены реальные тела) на самом деле не подчиняются классическому закону движения (3), верному лишь для макроскопических объектов (т.е. обладающих достаточно большими массами и размерами). Правильное с точки зрения сегодняшней физики описание движения во времени микроскопических объектов, какими являются составляющие макроскопические тела атомы и молекулы, дается уравнениями квантовой механики, позволяющими определить только вероятность нахождения частицы в заданной точке, но принципиально не дающего возможности расчета траекторий движения для последующих моментов времени.

Калибровочная инвариантность. Проблема симметрии

Калибристика - изменение уровня или масштаба.

Инвариантность - неизменяемость относительно преобразований масштаба. Симметрия - неизменность объектов и законов при некоторых преобразованиях описывающих их переменных.

Законы сохранения

Иерархия естественнонаучных законов. Количество законов природы, сформулированных в естественных науках к настоящему времени, весьма велико. Они неравнозначны.

Наиболее многочисленным является класс эмпирических законов, формулируемых в результате обобщения результатов экспериментальных наблюдений и измерений. Часто эти законы записываются в виде аналитических выражений, носящих достаточно простой, но приближенный характер. Область применимости этих законов оказывается достаточно узкой. При желании увеличить точность или расширить область применимости математические формулы, описывающие такие законы, существенно усложняются. Примерами эмпирических законов могут служить закон Гука (при небольших деформациях тел возникают силы, примерно пропорциональные величине деформации), закон валентности (в большинстве случаев атомы объединяются в химические соединения согласно их валентности, определяемым положением в Периодической таблице элементов), некоторые частные законы наследственности ( напр. сибирские коты с голубыми глазами обычно от рождения глухи). На ранних этапах развития естественных наук в основном шло по пути накопления подобных законов. Со временем их количество возросло настолько, что возник вопрос о нахождении новых законов, позволяющих описать эмпирические в более компактной форме.

Фундаментальные законы представляют собой весьма абстрактные формулировки, непосредственно не являющиеся следствием экспериментов. Обычно фундаментальные законы “угадываются”, а не выводятся из эмпирических. Количество таких законов весьма ограничено (напр. классическая механика содержит в себе лишь 4 фундаментальных закона: законы Ньютона и закон Всемирного тяготения). Многочисленные эмпирические законы являются следствиями (иногда вовсе не очевидными) фундаментальных. Критерием истинности последних является соответствие конкретных следствий экспериментальным наблюдениям. Все известные на сегодняшний день фундаментальные законы описываются достаточно простыми и изящными математическими выражениями, “не ухудшающимися” при уточнениях. Несмотря на кажущийся абсолютный характер, область применимости фундаментальных законов так же ограничена. Эта ограниченность не связана с математическими неточностями, а имеет более фундаментальный характер: при выходе из области применимости фундаментального законы начинают терять смысл сами понятия, используемые в формулировках (так для микрообъектов оказывается невозможным строгое определение понятий ускорения и силы, что ограничивает применимости законов Ньютона).

Ограниченность применимости фундаментальных законов естественно приводит к вопросу о существовании еще более общих законов. Таковыми являются законы сохранения. Имеющийся опыт развития естествознания показывает, что законы сохранения не теряют своего смысла при замене одной системы фундаментальных законов другой. Это свойство теперь используется как эвристический принцип, позволяющий априорно отбирать “жизнеспособные” фундаментальные законы при построении новых теорий. В большинстве случаев законы сохранения не способны дать столь полного описания явлений, какое дают фундаментальные законы, а лишь накладывают определенные запреты на реализацию тех или иных состояний при эволюции системы.

Связь законов сохранения с симметрией системы

Ответ на естественный вопрос о том, почему справедливы законы сохранения в физике был найден сравнительно недавно. Оказалось, что законы сохранения возникают в системах при наличии у них определенных элементов симметрии. (Элементом симметрии системы называется любое преобразование, переводящие систему в себя, т.е. не изменяющее ее. Например элементом симметрии квадрата является поворот на прямой угол вокруг оси, проходящей через его центр - “ось вращения четвертого порядка”). Глобальные законы сохранения связаны с существованием таких преобразований, которые оставляют неизменными любую систему. К ним относятся:

Закон сохранения энергии, являющийся следствием симметрии относительно сдвига во времени (однородности времени).

Закон сохранения импульса, являющийся следствием симметрии относительно параллельного переноса в пространстве (однородности пространства).

Закон сохранения момента импульса, являющийся следствием симметрии относительно поворотов в пространстве (изотропности пространства).

Закон сохранения заряда, являющийся следствием симметрии относительно замены описывающих систему комплексных параметров на их комплексно сопряженные значения.

Закон сохранения четности, являющийся следствием симметрии относительно операции инверсии (“отражения в зеркале”, меняющего “право” на “лево”).

Закон сохранения энтропии, являющийся следствием симметрии относительно обращения времени.

Кратко рассмотрим законы сохранения механических величин.

Закон сохранения импульса. Каждой материальной точке с массой m, движущейся со скоростью V, приписывается векторная характеристика - импульс, определяемый как произведение Массы на скорость:

(1) .

Из законов Ньютона можно показать, что при движении в пустом пространстве импульс сохраняется во времени, а при наличии взаимодействия скорость его изменения определяется суммой приложенных сил:

(2) .

В случае системы материальных точек (совокупностью которых можно считать любое реальное тело) полный импульс определяется как векторная сумма всех импульсов

(3) ,

Скорость изменения полного импульса определяется суммой внешних сил, действующих на систему (т.е. только сил, описывающих взаимодействие элементов системы с не принадлежащими ей объектами):

(4)

Системы, на которые не действуют внешние силы, называются замкнутыми. В них полный импульс не изменяется во времени. Это свойство находит большое практическое применение, поскольку лежит в основе принципа реактивного движения.

В классической механике закон сохранения импульса обычно выводится как следствие законов Ньютона. Однако, этот закон сохранения верен и в случаях, когда Ньютоновская механика неприменима (релятивистская физика, квантовая механика). Как отмечалось, он может быть получен как следствие интуитивно-верного утверждения о том, что свойства нашего мира не изменятся, если все его объекты (или начало отсчета!) переместить на некоторый вектор L. В настоящее время не существует каких-либо экспериментальных фактов, свидетельствующих о невыполнении закона сохранения импульса.

Закон сохранения момента импульса. Если понятие импульса в классической механике характеризует поступательное движение тел, момент импульса вводится для характеристики вращения. В случае материальной точки, обладающей импульсом p, положение которой задается радиус-вектором R, ее момент импульса относительно начала координат равен