Современная физика

Размещено на http://www.allbest.ru

Размещено на http://www.allbest.ru

Современная физика

1. Становление современной физической картины мира

Множество объектов будет целостной системой, если энергия связи между ними больше их суммарной кинетической энергии совместно с энергией внешних воздействий, направленных на разрушение системы. С переходом от мегасистем к макросистемам, молекулам и атомам к гравитационным силам добавляются электромагнитные, намного более мощные, чем первые. В атомных ядрах действуют еще более мощные ядерные силы. Чем меньше размеры материальных систем, тем более прочно связаны между собой их элементы. Рассмотрим типы связи на каждом уровне организации материи.

Нуклонный уровень. Нуклон - это ядро атома. Атом представляет собой единую квантово-механическую систему, состоящую из положительно заряженного ядра и отрицательно заряженной электронной оболочки.

Атомы состоят из протонов, нейтронов (известных под общим названием барионов) и одного члена семейства лептонов - электрона; протоны и нейтроны состоят из кварков (предельными кирпичиками материи).

Атомное ядро представляет центральнуючасть атома, в которой сосредоточена практически вся масса атома и весь его положительный заряд. Ядро атома состоит из элементарных частиц, называемых нуклонами. Это протоны и нейтроны.Протоны представляют собой элементарные частицы, которые являются ядрами атомов водорода. Число протонов в ядре равно порядковому номеру элемента в периодической системе химических элементов и обозначается Z (число нейтронов - N). Протон несет элементарный положительный заряд. Он в 1836,1 раз тяжелее электрона; его размеры 10-13 см. Протон состоит из двух u-кварков с зарядом q = +2/3 и одного d-кварка с q = -1/3, связанных глюонным полем.

Нейтроны состоят из одного u-кварка и двух d-кварков. Электрический заряд его равен 0, масса = 940 МэВ. Нейтрон стабилен в атомных ядрах. Свободный нейтрон распадается на электрон, протон и электронное антинейтрино. Нейтрон, как и протон, участвует во всех видах взаимодействий.

В ядре нуклоны связаны ядерными силами, которые на расстояниях порядка 10-15 м превышают любые другие силы, вследствие чего одноименно заряженные протоны не разлетаются под воздействием электростатического отталкивания.Размеры ядер атомов порядка 10-15 - 10-14 м. Эта величина в десятки тысяч раз меньше размеров атома.

Электрон - отрицательно заряженная субатомная частица, обнаруживаемая за пределами атомного ядра. Входит в состав всех атомов. Масса 1/1836 части массы протона.

Атомный уровень. Ядро атома заряжено положительно, а вращающиеся вокруг ядра электроны несут с собой отрицательный электрический заряд, который никогда не бывает меньше строго определенной величины, называемой элементарным электрическим зарядом (е ?4,6х 10-19 Кл). Положительный заряд ядра атома равен сумме отрицательных зарядов электронов, находящихся в электронной оболочке атома. Поэтому в нормальном состоянии атом электрически нейтрален. Размеры атомов порядка 10-10 м. Электроны на своих орбитах удерживаются силами электрического притяжения между ними и ядром атома. Каждый из электронов обладает определенным запасом энергии; чем дальше электрон находится от ядра, тем большей энергией он обладает.

Молекулярный уровень. Молекула - это наименьшая структурная единица вещества, обладающая его главными химическими свойствами и состоящая из атомов, соединенных между собой химическими связями.

Одноатомные молекулы (атомы инертных газов: Не - гелий, Ne -неон, Аг - аргон. Кг - криптон и др.)

Двухатомные молекулы (молекулы, состоящие из парных атомов: Н2, N2, 02, F2, С12, Вг2).

Макромолекулы (молекулы состоящие из тысяч и более одинаковых или близких по строению групп атомов: белки, искусственные полимеры, некоторые витамины, целлюлоза).

Молекулы простых веществ состоят из одинаковых атомов (Н2, 02 и др.).

Молекулы сложных веществ состоят из разных атомов (Н2О, NaCI, H2S04 и т.п.).

Внутримолекулярные связи, химические процессы. Ионная связь - связь, образуемая в результате действия электростатических сил между противоположно заряженными ионами, из которых построены кристаллические решетки ионных веществ. Ионы образуются из атомов в результате переноса между ними одного или нескольких электронов. Ковалентная связь - связь, образуемая двумя или несколькими атомами в результате обобществления ими электронов.

Химические явления имеют физическую природу. Химические связи - это обменное взаимодействие электронов, обобщение валентных электронов, и «перекрывание электронных облаков». Химическое соединение - это качественно определенное вещество, состоящее из одного или нескольких химических элементов, атомы которых за счет обменного взаимодействия (химической связи) объединены в частицы - молекулы, комплексы, монокристаллы или иные агрегаты (системы). Химический процесс - это обменное взаимодействие электронов.

Способность к взаимодействию различных реагентов определяется не только их атомно-молекуляриой структурой, но и условиями протекания химических реакций. К условиям протекания химических процессов относятся термодинамические (характеризующие зависимость реакций от температуры, давления и т.п.) и кинетические факторы.

Особенности протекания химических реакций используются в спец. технике ОВД. Например, при для обнаружении трупа используется реакция свинца и аммиака па сероводород. Если труп находится в заболоченной местности, то это место способно давать электролитические реакции, что можно замерить электроизмерительным щупом. Свойство люминисценции используется для маркировки биологически активных частиц -сперма, слюна и т.д.)

Свойство б-частиц проникать сквозь кристаллическую решетку атомов используется в металлоискателе. При рентгеновском сканировании предмета, можно определить контуры запрещенных в обороте вещей.

Термодинамическое воздействие влияет преимущественно на направленность химических процессов. Функции управления скоростью химических процессов выполняет химическая кинетика. Она устанавливает зависимость протекания химических процессов от множества структурно-кинетических факторов: строения исходных реагентов; их концентрации; наличия в реакторе катализаторов (или ингибиторов) и других добавок; способов смешивания реагентов; материала и конструкции реактора и т.п. Влияние такого типа факторов на код химических реакций может быть сведено и к катализу, т.е. к увеличению скорости химического процесса, и к ингибированию, сдерживающему процесс. В настоящее время считается, что катализ играет решающую роль в процессе перехода от химических систем к биологическим.

Помимо этих видов физических явлений наука на данный момент не может зафиксировать иных воздействий. Сейчас можно услышать понятия биополе, аура для описания воздействия живых систем, прежде всего, человека. Существование индивидуального влияния каждого человека на других отрицать бессмысленно, однако теоретические и экспериментальные обоснования этого влияния, сделанные на языке и методами современного естествознания до настоящего времени представлены не были. Для описания такого влияния больше влияния больше подходит язык гуманитарной науки.

2. Фундаментальные физические взаимодействия

В своей повседневной жизни человек сталкивается с множеством сил, действующих на тела: сила ветра или потока воды; давление воздуха; мощный выброс взрывающихся химических веществ; мускульная сила человека; вес предметов; давление квантов света; притяжение и отталкивание электрических зарядов; сейсмические волны, вызывающие подчас катастрофические разрушения; вулканические извержения, приводившие к гибели цивилизаций, и т.д. Одни силы действуют непосредственно при контакте с телом, другие, например гравитация, действуют на расстоянии, через пространство. Но, как выяснилось в результате развития естествознания, несмотря на столь большое разнообразие, все действующие в природе силы можно свести к четырем фундаментальным взаимодействиям (Найдыш В.М., 2003).

В порядке возрастания интенсивности эти фундаментальные взаимодействия представляются следующим образом: гравитационное взаимодействие; слабое взаимодействие; электромагнитное взаимодействие; сильное взаимодействие. Именно эти взаимодействия в конечном счете отвечают за все изменения в природе, именно они являются источником всех преобразований материальных тел, процессов. Каждое из четырех фундаментальных взаимодействий имеет сходство с тремя остальными и в то же время свои отличия.

Прежде всего, следует сказать о том, что является общим для этих фундаментальных взаимодействий. Иначе говоря: как понимает современная физика сущность взаимодействия? Как уже отмечалось, еще в середине XIX века с созданием теории электромагнитного поля выяснилось, что передача взаимодействия осуществляется не мгновенно (принцип дальнодействия), а с конечной скоростью посредством некоторого посредника - непрерывно распределенного в пространстве поля (принцип близкодействия). Скорость распространения электромагнитного поля равна скорости света.

Однако уже в первой четверти XX века, с появлением квантовой механики значительно углубилось представление о физическом поле. В свете квантово-волнового дуализма любое поле является не непрерывным, а имеет дискретную структуру, ему должны соответствовать определенные частицы, кванты этого поля. Например, квантами электромагнитного поля являются фотоны. Когда заряженные частицы обмениваются между собой фотонами, это приводит к появлению электромагнитного поля. Фотоны и являются переносчиками электромагнитного взаимодействия.

Аналогичным образом и другие виды фундаментальных взаимодействий имеют свои поля и соответствующие частицы, переносящие это полевое взаимодействие. Изучение конкретных свойств, закономерностей этих полей и частиц - носителей фундаментальных взаимодействий - главная задача современной физики.

Гравитация первым из четырех фундаментальных взаимодействий стала предметом научного исследования. Созданная в XVII в. ньютоновская теория гравитации (закон всемирного тяготения) позволила впервые осознать истинную роль гравитации как силы природы. Релятивистской теорией гравитации является ОТО, которая в области слабых гравитационных полей переходит в теорию тяготения Ньютона.

Гравитационное взаимодействие имеет универсальный характер и выступает в виде притяжения. Гравитация обладает рядом особенностей, резко отличающих ее от других фундаментальных взаимодействий. Наиболее удивительной особенностью гравитации является ее малая интенсивность. Гравитационное взаимодействие в 1039 раз меньше силы взаимодействия электрических зарядов. Поэтому в описании взаимодействий элементарных частиц оно обычно не учитывается. В микромире гравитация ничтожна.

Как может такое слабое взаимодействие оказаться господствующей силой во Вселенной? Все дело во второй удивительной черте гравитации - ее универсальности. Ничто во Вселенной не может избежать гравитации. Каждая частица испытывает на себе действие гравитации и сама является источником гравитации, вызывает гравитационное притяжение. Гравитация возрастает по мере образования все больших скоплений вещества. И хотя притяжение одного атома пренебрежимо мало, но результирующая сила притяжения со стороны всех атомов может быть значительной. Это проявляется и в повседневной жизни: мы ощущаем гравитацию потому, что все атомы Земли сообща притягивают нас.

Кроме того, гравитация - дальнодействующая сила природы. Это означает, что, хотя интенсивность гравитационного взаимодействия убывает с расстоянием, оно распространяется в пространстве и может сказываться на весьма удаленных от источника телах. В астрономическом масштабе гравитационное взаимодействие, как правило, играет главную роль. Благодаря дальнодействию гравитация не позволяет Вселенной развалиться на части: она удерживает планеты на орбитах, звезды в галактиках, галактики в скоплениях, скопления в Метагалактике.

Сила гравитации, действующая между частицами, всегда представляет собой силу притяжения: она стремится сблизить частицы. Гравитационное отталкивание еще никогда не наблюдалось.

Весьма трудно развиваются представления о квантовании гравитации. Тем не менее, согласно общим теоретико-физическим представлениям гравитационное взаимодействие должно подчиняться квантовым законам так же, как и электромагнитное (иначе возникают множественные противоречия в основаниях современной физики, в том числе связанные с принципом неопределенности и др.) В таком случае гравитационному взаимодействию должно соответствовать поле с квантом гравитации - гравитоном (нейтральная частица с нулевой массой покоя и спином 2). Квантовая гравитация приводит к появлению представления о дискретности свойств пространства-времени, понятиям элементарной длины, кванта пространства r= 10-33см, и элементарного временного интервала, кванта времени t= 10-43 с. Последовательная квантовая теория гравитации пока не создана.

К сожалению, возможности современной экспериментальной гравитационной физики и астрономии не позволяют зафиксировать квантовые эффекты гравитации в силу их чрезвычайной слабости. Тем не менее, явления, в которых проявляются квантовые свойства гравитации, по-видимому, существуют. Они проявляют себя в очень сильных гравитационных полях, где происходят квантовые процессы рождения частиц (точка сингулярности, начальные моменты возникновения Вселенной, гравитационный коллапс, черные дыры).

Электромагнетизм. По величине электрические силы намного превосходят гравитационные, поэтому в отличие от слабого гравитационного взаимодействия электрические силы, действующие между телами обычных размеров, можно легко наблюдать. Электромагнетизм известен людям с незапамятных времен (полярные сияния, вспышки молнии и др.). Но долгое время электрические и магнитные явления изучались независимо друг от друга. И только в середине XIX в. Дж. К. Максвелл объединил учения об электричестве и магнетизме в единой теории электромагнитного поля. А существование электрона (единицы электрического заряда) было твердо установлено в 1890-е гг. Но не все элементарные частицы являются носителями электрического заряда. Электрически нейтральны, например, фотон и нейтрино. Этим электричество отличается от гравитации. Все материальные частицы создают гравитационное поле, тогда как с электромагнитным полем связаны только заряженные частицы.

Как и электрические заряды, одноименные магнитные полюсы отталкиваются, а разноименные - притягиваются. Но в отличие от электрических зарядов магнитные полюсы встречаются не по отдельности, а только парами - северный полюс и южный. Еще с древнейших времен известны попытки получить посредством разделения магнита лишь один изолированный магнитный полюс - монополь. Но все они заканчивались неудачей. Может быть, существование изолированных магнитных полюсов в природе исключено? Определенного ответа на этот вопрос пока не существует. Некоторые современные теории допускают возможность существования магнитного монополя.

Электромагнитное поле неподвижных или равномерно движущихся заряженных частиц неотрывно от этих частиц. Но при ускоренном движении частиц электромагнитное поле «отрывается» от них и участвует в независимой форме электромагнитных волн. При этом радиоволны (103-1012 Гц), инфракрасное излучение (1012 - 3,7х1014 Гц), видимый свет (3,7х1014 - 7,5х1014 Гц), ультрафиолетовое излучение (7,5х1014 -3х1017Гц), рентгеновское излучение (3х1017 - 3х1020 Гц) и гамма-излучение (3х102 - 1033 Гц) представляют собой электромагнитные волны различной частоты. Причем между соседними диапазонами резких границ нет (длина электромагнитной волны с ее частотой связана соотношением: л = c/v, где л - длина волны, v - частота, с - скорость света).

Электромагнитное взаимодействие (как и гравитация) является дальнодействующим, оно ощутимо на больших расстояниях от источника. Как и гравитация, оно подчиняется закону обратных квадратов. Электромагнитное взаимодействие проявляется на всех уровнях материи - в мегамире, макромире и микромире.

Электромагнитное поле Земли простирается далеко в космическое пространство, мощное поле Солнца заполняет всю Солнечную систему; существуют и галактические электромагнитные поля. В то же время электромагнитное взаимодействие определяет структуру атомов и молекул (положительно заряженное ядро и отрицательно заряженные электроны). Оно отвечает за подавляющее большинство физических и химических явлений и процессов (за исключением ядерных): силы упругости, трения, поверхностного натяжения, им определяются свойства агрегатных состояний вещества, химических превращений, оптические явления, явления ионизации, многие реакции в мире элементарных частиц и др.

Слабое взаимодействие обеспечивает переход между разными типами кварков, в частности, определяет распад нейтронов, известный также как бета-распад; вызывает взаимные переходы между различными типами лептонов. К выявлению существования слабого взаимодействия физика продвигалась медленно. Слабое взаимодействие ответственно за распады частиц. Поэтому с его проявлением столкнулись при открытии радиоактивности и исследовании бета-распада.

У бета-распада обнаружилась в высшей степени странная особенность. Создавалось впечатление, что в этом распаде как будто нарушается закон сохранения энергии, что часть энергии куда-то исчезает. Чтобы «спасти» закон сохранения энергии, В. Паули предположил, что при бета-распаде вместе с электроном вылетает, унося с собой недостающую энергию, еще одна частица. Она - нейтральная и обладает необычайно высокой проникающей способностью, вследствие чего ее не удавалось наблюдать. Э. Ферми назвал частицу-невидимку «нейтрино».

Но предсказание нейтрино - это только начало проблемы, ее постановка. Нужно было объяснить природу нейтрино, здесь оставалось много загадочного. Дело в том, что электроны и нейтрино испускались нестабильными ядрами, но было известно, что внутри ядер нет таких частиц. Как же они возникали? Выяснилось, что входящие в состав ядра нейтроны, предоставленные самим себе, через несколько минут распадаются на протон, электрон и нейтрино. Какие же силы вызывают такой распад? Анализ показал, что известные силы не могут вызвать такой распад. Он, видимо, порождался какой-то иной, неизвестной силой, которой соответствует некоторое «слабое взаимодействие».

Слабое взаимодействие по величине значительно меньше всех взаимодействий, кроме гравитационного. Там, где оно присутствует, его эффекты оказываются в тени электромагнитного и сильного взаимодействий. Кроме того, слабое взаимодействие распространяется на очень незначительные расстояния. Радиус слабого взаимодействия очень мал (10-16 см). Потому оно не может влиять не только на макроскопические, но даже на атомные объекты и ограничивается субатомными частицами. Кроме того, по сравнению с электромагнитным и сильным взаимодействиями слабое взаимодействие протекает чрезвычайно медленно.

Когда началось лавинообразное открытие множества нестабильных субъядерных частиц, то обнаружилось, что большинство из них участвуют в слабом взаимодействии. Слабое взаимодействие играет в природе очень важную роль. Оно является составной частью термоядерных реакций на Солнце, звездах, обеспечивая синтез пульсаров, взрывов сверхновых звезд, синтез химических элементов в звездах и др.

Теория слабого взаимодействия была создана в 1967 г. С. Вайнбергом и А. Саламом. Создание этой теории явилось крупным шагом на пути к единству физики.

Сильное взаимодействие обеспечивает сильную связь протонов и нейтронов в ядрах атомов, кварков в нуклонах и определяет ядерные силы. Оно описывается теорией сильных взаимодействий (квантовой хромодинамикой). В сильном взаимодействии участвуют адроны и их взаимодействие дает большой выход энергии при ядерных реакциях.Сильное взаимодействие превосходит электромагнитное примеры о в 100 раз.

Сильное взаимодействие является источником огромной энергии. Наиболее характерный пример энергии, высвобождаемой сильным взаимодействием - Солнце. В недрах Солнца и звезд непрерывно протекают термоядерные реакции, вызываемые сильным взаимодействием (при существенном участии и слабого взаимодействия). Но и человек научился вызывать сильное взаимодействие: создана водородная бомба, сконструированы и совершенствуются технологии управляемой термоядерной реакции.

К представлению о существовании сильного взаимодействия физика шла в ходе изучения структуры атомного ядра. Какая-то сила должна удерживать положительно заряженные протоны в ядре, не позволяя им разлетаться под действием электростатического отталкивания. Гравитация слишком слаба и не может это обеспечить; очевидно, необходимо какое-то взаимодействие, причем более сильное, чем электромагнитное. Впоследствии оно было обнаружено и получило название «сильное взаимодействие».

Выяснилось, что, хотя по своей величине сильное взаимодействие существенно превосходит все остальные фундаментальные взаимодействия, за пределами ядра оно не ощущается. Сильное взаимодействие проявляется на расстоянии, определяемом размерами ядра, т.е. примерно 10-13 см. Главная функция сильного взаимодействия в природе - создание прочной связи между нуклонами (протонами и нейронами) в ядрах атомов. При этом столкновение ядер или нуклонов, обладающих высокими энергиями, приводит к разнообразным ядерным реакциям, в том числе реакции термоядерного синтеза на Солнце, которая является основным источником энергии на Земле.

Вместе с тем выяснилось, что сильное взаимодействие испытывают не все частицы. Так, его испытывают протоны и нейтроны, но электроны, нейтрино и фотоны не подвластны ему. В сильном взаимодействии участвуют обычно только тяжелые частицы.

Теоретическое объяснение природы сильного взаимодействия развивалось трудно. Прорыв наметился только в начале 1960-хгг., когда была предложена кварковая модель. В этой теории нейтроны и протоны рассматриваются не как элементарные частицы, а как составные системы, построенные из кварков.

Четыре типа взаимодействий переносятся своим типом бозонов. Бозоны - элементарные частицы, переносящие взаимодействие и имеющие целый спин. Слово «бозон» происходит от фамилии индийского физика Бозе. Бозон, передающий сильное взаимодействие, называется «мезон».

Фотон, квант света, переносит электромагнитные взаимодействия, гравитон - силы тяготения, действующие между любыми телами, имеющими массу. Восемь глюонов осуществляют перенос сильных ядерных взаимодействий, связывающих кварки. Промежуточные векторные бозоны переносят слабые взаимодействия, ответственные за некоторые распады частиц. Все силы в природе описываются на сегодняшний день этими четырьмя видами взаимодействий. Доказано, что при энергии 100 ГэВ (100 млрд. эВ) объединяются электромагнитное и слабое взаимодействия. Такая энергия соответствует температуре Вселенной через 10-10с после Большого Взрыва и она в 4 триллиона раз выше комнатной температуры.

Таким образом, в фундаментальных физических взаимодействиях четко прослеживается различие сил дальнодействующих и близкодействующих. С одной стороны, взаимодействия неограниченного радиуса действия (гравитация, электромагнетизм), а с другой - малого радиуса (сильное и слабое). Мир физических процессов развертывается в границах этих двух полярностей и воплощает единство предельно малого и предельно большого - микромира и мегамира, элементарной частицы и всей Вселенной.

Термодинамика

Термодинамика - наука о тепловых явлениях, в которой не учитывается молекулярное строение тел. Значительный вклад в развитие теорий тепловых явлений внесли Р. Клаузиус (1822-1888 гг.), Дж. Максвелл (1831-1879 гг.), Л. Больцман (1844-1906 гг.), У. Томпсон (1824-1907 гг.) и др. Все тепловые процессы связаны с превращением энергии, описание которых составляет одну из основных задач термодинамики. Последняя в своей основе предполагает два основных закона: первое и второе начало термодинамики.

1. Закон сохранения и превращения энергии (первое начало термодинамики), во-первых, утверждает существование качественных видов энергии (потенциальной, кинетической, механической, тепловой, электромагнитной и т.д.) и присущую им способность при определенных условиях превращаться друг в друга; во-вторых, указывает, что в любых процессах, происходящих в замкнутых системах (т.е. системе, не обменивающейся ни веществом, ни энергией с окружающим миром), численное значение энергии остается постоянным во времени, т.е. невозможность ее исчезновения или возникновения. В открытой (незамкнутой) системе полная энергия может не сохраняться и даже возрастать со временем, как если иногда заливать извне в двигатель бензин, он может работать очень долго. В реальных устройствах из-за наличия сил трения часть энергии всегда уходит в тепло (или внутреннюю энергию) и перевести эту энергию обратно в более удобные для практического использования формы оказывается очень трудно.

Количественная формулировка первого начала термодинамики: количество теплоты (Q), сообщенное телу, идет на увеличение его внутренней энергии AU и на совершение телом работы A (Q =ДU+A).

Примеры: кинетическая энергия всего поезда во время движения превращается во внутреннюю энергию его тормозных колодок, колес и окружающего воздуха; переход потенциальной энергии в кинетическую при колебании маятника.

Первый закон термодинамики отрицает возможность вечного двигателя (perpetuummobile) первого рода. Вечный двигатель первого рода предполагает работу без извлечения энергии из окружающей среды. Нельзя построить периодически действующую машину, которая бы совершала работу больше подводимой к ней извне энергии.

2. Всякая система стремится перейти к состоянию термодинамического равновесия, в котором тела обладают одинаковыми температурами и давлением. Все термодинамические процессы, приближающиеся к тепловому равновесию, необратимы. Это приводит нас ко второму началу термодинамики: тепло не может само собой переходить от холодных тел к более нагретым; или тепловая энергия равномерно распределяется между всеми телами, и всякие тепловые процессы в любой системе полностью прекращаются. Эго приводит к тепловой смерти системы. Данное утверждение справедливо для замкнутых систем. Этот закон характеризует рост энтропии во времени.

Вечный двигатель второго рода, работающий за счет энергии находящихся в тепловом равновесии тел маловероятен, т.к. необратимые макроскопические процессы очень сложно обратить во времени. Вечный двигатель второго рода - это своеобразный «холодильник, не потребляющий, а вырабатывающий электроэнергию». В настоящее время па практике пока доказана только возможность осуществления агрегатов, собирающих энергию из окружающей среды. Так, в космонавтике, широко используются тепловые насосы, использующие тепловую энергию окружающего пространства.

Существует еще вечный двигатель третьего рода - механизм, демонстрирующий вечное движение при отсутствии трения. Механизмы, приближающиеся к идеальным уже также созданы, например, это сверхпроводящие агрегаты, сверхтекучие жидкости и т.д. Таким образом, только вечные двигатели 1-го рода не созданы и не используются в технике. Можно предположить, что заявленные «успешные» вечные двигатели 1-го рода на самом деле являются лишь скрытыми двигателями 2-го рода, источник получения, перекачки энергии которого - неизвестен. Хотя двигатели 2 и 3 рода успешно апробированы, сам термин «perpetuummobile» на практике до сих пор используется как «неосуществимый» или «бредовый», т.к., во-первых, ничего не берется ниоткуда, во вторых, все, что имеет начало - имеет конец, понятие «вечный» в данном контексте понимается весьма условно.

Второе начало термодинамики указывает на существование двух различных форм энергии - теплоты (связанной с неупорядоченным движением) и работы (связанной с упорядоченным движением). Неупорядоченную форму энергии невозможно полностью перевести в упорядоченную форму энергии. Мерой неупорядоченности в термодинамике является энтропия. Энтропия (мера рассеяния энергии) - это функция состояния системы, характеризующая направление протекания самопроизвольных процессов в замкнутой системе. В замкнутой системе энтропия стремится к максимуму.

Направление тепловых процессов определяется законом возрастания энтропии: энтропия замкнутой системы может только возрастать; максимальное значение энтропии замкнутой системы достигается в равновесии: ДS ? 0 (где S - энтропия). Приведенное утверждение считается количественной формулировкой второго закона термодинамики.

Второе начало термодинамики устанавливает наличие в природе фундаментальной асимметрии (однонаправленность всех самопроизвольных процессов).

Так в середине XIX в. закон сохранения и превращения энергии приобрел права всеобщего закона природы, объединяющего живую и неживую природу. Первое начало термодинамики кратко формулируют так: «Энергия сохраняется», или: «Тепло, полученное системой, идет на приращение ее внутренней энергии и на производство внешней работы». То, что именно энергия сохраняется, а не теплота, сталоодним из основных научных достижений. Понятие энергии позволило рассматривать все явления природы и процессы с единой точки зрения, объединить все явления. Впервые в науке абстрактное понятие заняло центральное место, оно пришло вместо ньютоновой силы, соответствующе чему-то осязаемому, конкретному, хотя и облаченному Ньютоном в математические одежды. Понятие энергии прочно вошло в нашу жизнь. Ему нет единого определения, но чаше всего под энергией понимают способность тела совершать работу. В середине прошлого века лорд Кельвин признал, что силы могут исчезать и возникать, а энергия не уничтожается. Это понятие соответствовало и религиозным взглядам Кельвина, он считал, что Творец в самый момент творения мира наделил его запасом энергии, и этот божественный дар будет существовать вечно, тогда как эфемерные силы подвержены многим превратностям, и с их помощью в мире ткется ткань явлений преходящих. Современная наука не отвергает взгляды Кельвина, но не отрицает и существования атомов как носителей энергии. Первое начало требуетсохранения энергии изолированной системы, но не указывает направления, в котором процессы могут происходить в природе. Это направление указываетсявторым началом, вторым постулатом термодинамики. Совместно с первым они позволяют установить множество точных количественных соотношений между различными макроскопическими параметрами тел в состояниях термодинамического равновесия или около него. Кроме того, второй постулат вводит определенность температурной шкалы, не связанную с рабочим веществом термометра и его устройством.

Из-за энтропиитрагедия большой истории состоит не в том, что какие-то плохие, корыстные и глупые люди толкают человечество в нежелательном направлении, а в том, что оно двигается в этом направлении вопреки воле и желаниям хороших, бескорыстных и умных людей.

3. Третье начало термодинамики касается свойств веществ при низких температурах и утверждает невозможность охлаждения вещества до -273°С (температура абсолютного нуля).

Абсолютно низкую температуру, предсказал еще Ломоносов, первый исследователь низких температур, который впервые сумел заморозить ртуть и искусственно получить очень низкую температуру (-65°С). Этот закон в формулировке Планка гласит, что энтропия идеального кристалла при абсолютном нуле равна нулю. На самом деле невозможно непосредственно измерить абсолютную величину энтропии. В настоящее время с использованием лазерного охлаждения атомов добиваются охлаждения ~10 -7- 10-9 К.

Термодинамика, основанная на трех началах и не требующая детального знания о строении вещества, дает представления об основных закономерностях бытия большого числа природных систем: к свойствам газов, жидкостей и твердых тел, к химическим реакциям, к магнитным и электрическим явлениям. Они приложимы к грандиозным космическим процессам и даже явлениям социальной жизни. Ее выводы неоспоримы и незыблемы.

Грядущий кризис энергоносителей заставляет уже сейчас искать новые способы получения и направления энергии. Коренным вопросом будущего является переход от энергии потребления к энергии дарения. Энергия потребления подчиняется законам термодинамики: ничто ниоткуда не берется, за все нужно платить. Поэтому отношения должны быть основаны на расчете. Так мы приходим к точке «замерзания» человеческих отношений. Энергетика будущего должна быть основана на заботе и любви. Ее парадоксальная характеристика такова, что чем больше мы отдаем, тем больше получаем.

Самоорганизация

Научному мировоззрению в XIX в. была присуща идея развития, которая в физике формировалась под влиянием статистической механики и равновесной термодинамики. Эти две классические физические теории описывают поведение замкнутых систем, т.е. таких систем, которые не обмениваются ни веществом, ни энергией с другими системами (средой).

В XX в. наука исходит из того, что все системы любого порядка являются открытыми. Такая система способна обмениваться с окружающей средой веществом, энергией,информацией и находиться, как правило, в состоянии далеком oт термодинамического равновесия. В понятии самоорганизации отражается идея спонтанного перехода открытой неравновесной системы от простых и неупорядоченных форм организации к более сложным и упорядоченным.

Условия самоорганизации системы:

- Система должна быть открытой и иметь приток энергии, вещества, информации извне;

- Открытая система должна находиться вдали от точки термодинамического равновесия;

- Наличие флуктуации. Процесс возникновения и усиления порядка через флуктуации характеризуют как принцип самоорганизации

- Самоорганизация основывается на положительной обратной связи, в отличие от динамического равновесия систем, которое опирается на отрицательную обратную связь

- Процесс самоорганизации системы возможен только при определенном, достаточном количестве взаимодействующих элементов; события глобального масштаба складываются не из гигантских проявлений какой-то силы, но из реальных житейских ничтожностей, которые страшны множественностью и непрерывностью действия (так, возможно динозавры погибли из-за ничтожных причин, действовавших в огромной массе педантично и последовательно)

- Процесс самоорганизации предполагает нарушение симметрии

- Проблемы самоорганизации материи (неравновесные системы)

Синергетика- это наука о самоорганизациисложных систем, о превращении хаоса в порядок. Развитие синергетики идет по нескольким направлениям: синергетика (Г. Хакен), неравновесная термодинамика (И.Р. Пригожин).

Синергетика как составляющая научной картины мира сформулировала основную тенденцию развития в Природе: создание более сложных систем из более простых; определила основные принципы эволюции материальных систем. Синергетика подтвердила положение теории относительности о взаимопревращении вещества и энергии; объясняет образование макросистем (вещества). Синергетика отражает процесс творчества Природы: создание новых структур в природных системах; образование новых систем и т.п. Идеи синергетики носят междисциплинарный характер. Они являются основой совершающегося в естествознании глобального эволюционного синтеза. физический мир гравитационный синергетика

Основные идеи синергетики (Г. Хакен):

Процессы эволюции идеградации, разрушения и созидания равноправны. Хаос не только разрушителен, но и созидателен. Развитие осуществляется через неустойчивость (хаотичность).

Процессы созидания (упорядоченности) имеют единый алгоритм, независимо от природы, специфики и характера систем, в которых они осуществляются.

Эволюция большинства сложных систем носит нелинейный характер, т.е. для такого типа систем всегда существует несколько возможных вариантов развития. Возникновение структур нарастающей сложности не случайность, а закономерность. Случайность встроена в механизм эволюции.

Основные идеи неравновеснойтермодинамики И. Пригожина:

Термодинамика XX в. изучает открытые системы в состояниях, далеких от равновесия. Основной задачей является доказательство того факта, что неравновесие может быть причиной порядка. Классическая (равновесная) термодинамика XIX в: изучала механическое действие теплоты, причем предметом ее исследований были процессы преобразования энергии, протекающие в замкнутых системах, стремящихся к состоянию равновесия. В подобных системах для самоорганизации нет места.

Система в неравновесной термодинамике должна быть открытой и иметь приток вещества и энергии извне, а также создавать и поддерживать упорядоченность из хаоса. Такие системы названы диссипативными.

Условия формирования новых структур: открытость системы; ее нахождение вдали от точки равновесия; наличие флуктуации.

Неустойчивость и неравновесность определяют развитие систем, т.е. последние непрестанно флуктуируют. В особой точке бифуркации (критическое состояние) флуктуация достигает такой силы, что организация системы разрушается. Разрешением кризисной ситуации является быстрый переход диссипативной системы на новый и более высокий уровень упорядоченности, который получил название диссипативной структуры. Это и есть акт самоорганизации системы.

Переход диссипативной системы из критического состояния в устойчивое неоднозначен. Поскольку флуктуации случайны, то и выбор конечного состояния системы является случайным. Процесс перехода одноразовый и необратимый.

Самоорганизация проявляется в форме общей флуктуации, не имеющей ничего общего со статистическими законами физики. В процессе перехода все элементы системы ведут себя коррелированно, хотя до этого они находились в состоянии хаоса.

Диссипативные структуры существуют потому, что система диссипирует (рассеивает) энергию. Из энергии возникает порядок с увеличением общей энтропии.

Природа есть иерархия открытых систем. Развитие систем протекает по единому алгоритму. В основе последнего - самоорганизация, протекающая в критических точках системы. И. Пригожин и И. Стингерс полагают, что «... жизнь во Вселенной представляет собой столь же предсказуемый и естественный феномен, как и падение тяжелых тел».

Порядок и хаос

Порядок в мире, по мнению Анаксагора, есть результат того, что существуют гомеомерии, семена порядка. Хаос - это разрушение порядка, дезорганизация, путаница, неразбериха, нагромождение, смешенье всего. Синергетика привнесла идею прогрессивного порядка и новое понимание хаоса. Синергетический хаос - это творческая виртуальность, возможность порядка более высокого уровня.

Мы привыкли к стабильности и постоянству, не считаем, что мир вокруг нас может внезапно измениться без явных на то причин. Однако есть много примеров скачкообразного поведения системы; маленький камешек вызывает лавину, легкий удар по детонатору вызывает взрыв. Для определения поведения системы полезно умение понимать, далеко ли она находится от критической точки.

Особенности поведения системы, по которым можно судить о приближении критической точки:

наличие нескольких различных устойчивых состояний;

существование неустойчивых состояний, из которых, система выводится слабыми толчками;

возможность быстрого изменения системы при малых изменениях внешних условий;

необратимость системы;

гистерезис - скачок, катастрофа,

Синергетика приобретает все большое объясняющее значение в современной научной картине мира. Мир предстает огромной открытой системой, где человек взаимодействует лишь с ограниченной частью реальности. Реальность, поэтому, это всегда возможность чего-то иного, иногда очень неожиданного и парадоксального, Поведение мира как открытой системы характеризуется нелинейными зависимостями. Самые незначительные факты могут играть решающее значение в становлении другого мира.

На основании синергетических нелинейных зависимостей В.В. Чепенко была предложена альтернатива феномена внезапной смерти. До сих пор внезапная смерть объяснялась как критическое летальное состояние организма, наступившее спустя 6 часов наблюдения изменения патологии. Под этим подразумевают не только полную механическую остановку сердца, но и такой вид сердечной деятельности, который не обеспечивает минимально необходимого уровня кровообращения. Такое состояние может развиться при различных опасных для жизни нарушениях сердечного ритма; фибрилляции желудочков, полной поперечной (предсердно-желудочковой) блокаде, сопровождающейся приступами Морганьи Эдемса-Стокса, пароксизмальной желудочковой тахикардии и др. Наиболее частой кардиогенной причиной прекращения кровообращения признается инфаркт миокарда. Таким образом, внезапная смерть связывается с морфологией организма.

Вместе с тем известно, что огромное количество людей переживают инфаркт и даже не знают об этом. Они остаются жизнеспособны. В.В. Чепенко предложил другую зависимость: внезапная смерть наступает после того, как система начинает вести себя упорядоченнее, о чем можно судить по изменчивости R-R интервалов последовательных циклов сердечных сокращений. Нелинейный математический анализ изменчивости интервалов работы сердца дает возможность предсказывать внезапную смерть: если флуктуации сигналов ритма сердца принимают упорядоченный характер, это означает, что система закрывается и готовится к остановке жизнедеятельности. Хаотическая вариабельность сигналов свидетельствует о жизнеспособности организма. При этом морфологические признаки зачастую свидетельствуют об обратном. С другой стороны, чрезмерное количество хаоса также может свидетельствовать о кризисном состоянии организма.

Пространство и время. Относительность

Свойства пространства

Пространство и время - общие формы координации материальных объектов и их состояний. Их всеобщие свойства:

- объективность пространства и времени;

- всеобщность пространства и времени

Пространство - это совокупность отношений, выражающих координацию сосуществующих объектов, их расположение друг относительно друга и относительную величину (расстояние и ориентация). Его специфические свойства:

- трехмерно:

- однородно (равноправие всех его точек);

- изотропно (равноправие всех его направлении).

Теория относительности

Альберт Эйнштейн (1879-1955) предложил совершенно новую теорию пространства и времени - специальную теорию относительности (СТО). Основу его теории составляют два постулата: 1) скорость света в вакууме постоянна и не зависит от движения наблюдателя или источника света; 2) все физические явления (механические и электродинамические) происходят одинаково во всех телах, движущихся относительно друг друга прямолинейно и равномерно.

СТО установила, что абсолютной одновременности событий, происходящих в разных системах, т.е. в разных условиях движения, не может быть, ибо не существует единого всегда и везде равномерного потока времени, что эта одновременность носит относительный характер. Пространственные и временные характеристики в различных соотносительных материальных системах отсчета будут различными. Эти изменения зависят от скорости относительного движения тел.

По мере возрастания скорости движения длина движущегося тела в направлении движения сокращается, и течение времени соответственно замедляется (релятивистское замедление времени). Если космический корабль с большой скоростью проносится мимо, то неподвижному наблюдателю его длина кажется короче. Чем ближе к скорости света, тем более становится этот эффект. При с = 300 тыс. км/с, длина тела = 0.

В быстро движущемся космическом корабле время течет медленнее. Отсюда парадокс близнецов, которые будут стареть неравномерно, если один из них отправился с космической скоростью в путешествие. Когда атомные часы отправляли на сверхзвуковом самолете в кругосветный перелет, то по возвращению на Землю разница во времени составляла около40 атомных единиц.

Кардинальным для СТО было объединение времени и пространства в четырехмерное пространство-время, которые отныне не рассматриваются обособленно. Пространство-время является выражением наиболее общих отношений материальных объектов и вне материи существовать не может. Пространство и время не самостоятельные субстанции, а формы существования единственной субстанции - материи.

В 1916 г. Эйнштейн добавил в СТО положение о поле тяготения. В результате получилась общая теория относительности (ОТО), или обобщенная теория тяготения. Свойства пространства и времени в его теории определяются концентрацией и движением материи в пространстве. При наличии в пространстве тяготеющих масс, а, следовательно, и поля тяготения, пространство искривляется, становится неевклидовым, а время изменяет ритм течения. Искривление пространства подтверждается экспериментом с излучением от звезд, находящихся за солнцем: мы их видим искаженно, за счет того, что масса солнца искривляет отраженный свет.

Чем ближе к скорости света, тем больше масса тела. Никакое тело с отличной от нуля массы нельзя разогнать для скорости света, т.к. для этого требуется бесконечная энергия. Никакую информацию нельзя передать быстрее скорости света, иначе был бы нарушен закон причинности (причина предшествует следствию).

Многомерность мира

Хотя соотношение между количеством материи и степенью кривизны простое, но сложны расчеты - для описания кривизны в каждой точке нужно знать значения двадцати функций пространственно-временных координат. Десять функций соответствуют той части кривизны, которая распространяется в виде гравитационных волн, т.е. в виде «ряби» кривизны, остальные десять - определяются распределением масс, энергии, импульса, углового момента, внутренних напряжений в веществе и значения универсальной гравитационной постоянной G. Из-за малости величины G нужно много масс, чтобы существенно «изогнуть» пространство-время. Поэтому 1/G подчас рассматривают как меру жесткости пространства-времени. С точки зрения нашего повседневного опыта пространство-время очень жесткое. Вся масса Земли создает кривизну, составляющую порядка одной миллиардной кривизны своей поверхности. Чтобы представить кривизну пространства-времени вблизи Земли, подбросим мяч в воздух. Если он будет находиться в полете 2 с и опишет дугу в 5 м, то свет за эти 2 с пройдет расстояние 600 000 км. Если представить дугу высотой 5 м, вытянутую по горизонтали до 600 000 км, то ее кривизна и будет соответствовать кривизне пространства-времени. В отличие от теории гравитации Ньютона, теория Эйнштейна претендует на теорию пространства-времени, т.е. на теорию Вселенной в целом.

Многих интересовал вопрос, почему мы способны воспринять только пространство трех измерений. П. Эрснфест в 1917 г. исследовал этот вопрос специально и указал, что «закон обратных квадратов», по которому действуют друг на друга точечные гравитационные массы или электрические заряды, обусловлен трехмерностью пространства. В пространстве измерений точечные частицы взаимодействовали бы по закону обратнойстепени (n -I). Поэтому для и = 3 справедлив закон обратных квадратов, т.к. 3-1=2, Он показал, что при n = 4, что соответствует закону обратных кубов, планеты двигались бы по спиралям и быстро бы упали на Солнце. В атомах при числе измерений, большем трех, также не существовало бы устойчивых орбит, т.е. не было бы химических процессов и жизни. На связь трехмерности пространства с законом тяготения указывал еще и Кант.