Тема задания
| Вид материала | Краткое содержание |
- Урок № Тема «Моря, омывающие Россию», 49.7kb.
- Тема: Тестовые задания по курсу «История средних веков», 630.65kb.
- Тема № Сущность маркетинга и его современная концепция 5 тема № Система и характеристики, 2173.2kb.
- Методические рекомендации для выполнения контрольной работы по курсу «Антропология», 245.77kb.
- Задание № № Вашего задания, 20.24kb.
- Тема: Нормализация учебной нагрузки. Дозирование домашнего задания, 7.69kb.
- 1 11 Тема 2 12 тема 3 13 Тема 4 14 Тема 5 15 Тема 6 17 Тема 7 20 Тема 8 22 Тема, 284.17kb.
- Техническое задание вариант задания: -номер варианта задания в десятичной системе счисления,, 196.93kb.
- Тема: Н. А. Некрасов, 46.62kb.
- Методические указания Задания к практическим занятиям Контрольные задания, 752.95kb.
Проблемы пространства-времени. Теория относительности
Естественные науки часто связаны с изменением длин и длительностей, т. е. пространственно-временными характеристиками объектов.
Понятие пространства возникло в науке на основе наблюдения и практического использования объектов, их объема и протяженности. Понятие времени основано на восприятии человеком смены событий, состояний предметов и круговорота различных процессов.
Естественнонаучные представления о пространстве и времени прошли длительный путь своего становления и развития:
обыденные представления: Пространство и временя - условиях бытия, в которые помещена материя и которые сохранились бы, если бы даже материя исчезла.
концепция абсолютного пространства и времени разработана И. Ньютоном в работе «Математические начала натуральной философии», в которой были определены понятия пространства, времени, места и движения, при этом, Ньютон выделил абсолютные и относительные.понятия.
Абсолютное время, протекает равномерно и иначе называется длительностью. Относительное время - это внешняя мера продолжительности, употребляемая в обыденной жизни (час, день, месяц, год и т. д.). Абсолютное пространство всегда безотносительно к чему-либо внешнему и остается всегда неизменным и неподвижным. Относительное пространство существует всегда относительно других тел.
Таким образом, пространство время являются как бы вместилищами самих себя и всего существующего, как некий «черный ящик», куда помещены все объекты бытия.
Современное понимание пространства и времени было сформулировано в теории относительности А. Эйнштейна.
Классический принцип относительности был сформулирован Г. Галилеем. Согласно этому принципу, во всех инерциальных системах отсчета, т. е. системах, движущихся прямолинейно и равномерно, движение тел происходит по одинаковым законам. Из этого принципа следует, что между покоем и движением, если оно прямолинейно и равномерно, нет принципиальной разницы, движение и покой относительны. Понятие покоя и движения приобретают смысл тогда, когда указана точка отсчета.
В специальной теории относительности данный принцип был распространен также на законы электродинамики. В соответствии со специальной теорией относительности, которая объединила пространство и время в единый четырехмерный пространственно-временной континуум, пространственно-временные свойства тел зависят от скорости их движения. Пространственные размеры сокращаются в направлении движения при приближении скорости тела к скорости света в вакууме (300 000 км/с). Временные процессы при таких высоких скоростях замедляются, а масса тела увеличивается. Процессы замедления хода времени в зависимости от скорости движения реально регистрируются на уровне элементарных частиц.
Абсолютная скорость света не противоречит принципу относительности и полностью совместима с ним. Скорость света - это верхний предел для скорости перемещения любых тел природы, частиц, полей, волн.
Общая теории относительности подвела физические основания под неевклидовы геометрии и связала кривизну пространства с действием гравитационных полей, создаваемых массами тел. Общая теория относительности исходит из принципа эквивалентности инерционной и гравитационной масс, количественное равенство которых было установлено еще в классической физике. Кинематические эффекты, возникающие под действием гравитационных сил, эквивалентны эффектам. Возникающим под действием ускорения.
Общая теория относительности установила не только искривление пространства под действием полей тяготения, но и замедление хода времени в сильных гравитационных полях. Было установлено, что при прохождении сигнала вблизи Солнца, его задержка составила 0,0002 с. Общая теория относительности допускает полную остановку времени в очень сильном поле тяготения, например, вблизи предполагаемых сверхплотных космических объектов, испытывающих сверхсжатие, т. н. черных дыр.
Представления о пространстве и времени, сформулированные в теории относительности, на сегодняшний день являются наиболее последовательными. В настоящее время ученые предполагают существование кванта пространства (фундаментальная длина L) и кванта времени, равного отношению L/c, ограничивающего точность определения временных интервалов.
Все свойства пространства и времени можно разделить на две большие группы. К всеобщим относятся такие пространственно-временные характеристики, которые проявляются на всех известных структурных уровнях материи, тогда как специфические свойства проявляются лишь на отдельных структурных уровнях.
К всеобщим свойствам пространства и времени относятся:
1. Объективность и независимость от сознания человека;
2. Абсолютность, т. е. проявление на всех структурных уровнях материи;
3. Неразрывность между собой и с движущейся материей;
4. Единство непрерывности и прерывистости в их структуре;
5. Количественная и качественная бесконечность, неотделимая от структурной бесконечности материи.
Вместе с тем, пространство и время имеют специфические свойства. К специфическим свойствам пространства относятся: протяженность; непрерывность и связность (как отсутствие разрывов); трехмерность (длина, ширина, высота); наличие пространственной формы тел, их расположение в пространстве; наличие симметрии или асимметрии; изотропность (отсутствие верха, низа и др.);
К специфическим свойствам времени относятся: длительность; единство прерывного и непрерывного; необратимость; одномерность (линейная последовательность событий: от прошлого через настоящее к будущему); конкретная длительность существования материальных систем (время от их возникновения до распада, ритмы, циклы); неодновременность событий в разных системах.
9
Принципы симметрии и законы сохранения
Принципы современной физики - это общие законы, влияющие на все физические процессы и формы движения материи. Среди всей группы физических принципов важнейшим является принцип симметрии, на основе которого действуют законы сохранения физических величин.
Симметрия в физике - это свойство физических величин оставаться неизменными при определенных преобразованиях.
Принципы симметрии делятся на 1) внешние или пространственно-временные и 2) внутренние симметрии.
К внешним симметриям относятся:
1. Однородность времени, т.е. объективная равноправность всех моментов времени, следовательно что любой момент времени можно взять за начало отсчета и из этого вытекает закон сохранения энергии.
2. Однородность пространства, т. е. равноправие всех его точек. Сдвиг в пространстве какой-либо системы не влияет на процессы внутри нее. Из этой симметрии вытекает закон сохранения импульса.
3. Изотропность пространства, т. е. одинаковость его свойств по всем направлениям, из этого следует закон сохранения момента импульса.
4. Принцип относительности, определяющий одинаковость законов природы во всех системах отсчета, из него вытекает закон сохранения скорости движения центра масс.
Обратимость процессов во времени - действует только на уровне макромира. Фундаментальные физические законы не изменяются при обращении знака времени. На уровне микромира наблюдается необратимость процессов. Считают, что это связано с неравновесным состоянием Вселенной.
Зеркальная симметрия природы - не изменяет физических законов любого природного объекта.
Зарядовое сопряжение - замена частиц на античастицы не изменяет природных процессов.
Зеркальная симметрия и зарядовое сопряжение сохраняется только при сильных и электромагнитных взаимодействиях, тогда как остальные симметрии выполняются при любых взаимодействиях.
К внутренним симметриям относятся:
1.Неизменность суммы электрических зарядов элементарных частиц. В этом состоит закон сохранения электрического заряда.
2.Постоянство числа тяжелых частиц и античастиц ядра (барионов) не изменяется при любых процессах.
3.Неизменность числа лептонов и антилептонов (легких частиц) при превращениях элементарных частиц.
4. Изотопическая инвариантность - связана с сильным ядерным взаимодействием между протонами и нейтронами. Эти частицы различаются только наличием положительного заряда у протона. При сильных взаимодействиях они выступают как одна частица. Поэтому Гейзенберг предложил рассматривать протон и нейтрон как два разных состояния одной частицы - нуклона. Атомы, ядра которых различаются только числом нейтронов, называются изотопами, поэтому данный тип симметрии получил название изотопической.
На основе теорий Большого объединения - объединения электромагнитного, слабого и сильного взаимодействий и Суперобъединения физики пришли к идее суперсимметрии, т. е. симметрии, объединяющей все типы элементарных частиц в единое целое на основе теории суперструн и геометрии искривленного пространства.
10
Положения и принципы квантовой механики
Законы квантовой механики оказались совершенно не похожими на законы механики классической. Оказалось, что все процессы в микромире носят вероятностный характер. Например, невозможно точно определить траекторию движения частицы, её местоположение и другие параметры. Можно лишь говорить о вероятностном значении тех или иных параметров. Математически эти законы были оформлены немецким физиком Вернером Гейзенбергом (1901-1976). Он вывел закон, названный законом соотношения неопределённостей, согласно которому невозможно одновременно установить точные значения местоположения элементарной частицы и её импульс Квантовая механика окончательно разрушила господствовавшую в механистической картине мира уверенность в универсальной применимости принципа детерминизма. В квантовой механике можно говорить лишь о вероятности явлений. Квантовая механика показала, что невозможно построить объективную картину физической реальности, ибо никакие ухищрения не позволят устранить влияние на картину мира субъекта - наблюдателя реальности. Теоретическое описание объекта неизбежно будет зависеть от способа его наблюдения, тем самым, наблюдатель становится неотъемлемой частью теории. Классическая для прежней теории познания схема субъектно-объектных отношений перестаёт здесь работать.
Основные принципы квантовой механики.
Фундаментальные физические теории и частные законы не являются абсолютно точным отображением действительности. По мере развития науки менее точные теории сменяются более точными, охватывающие более широкие круги процессов. Так происходит, когда динамические теории сменяются статистическими. В процессе утверждения основных идей квантовой механики были сформулированы следующие принципы, ставшие впоследствии общенаучными:
1. Принцип дополнительности сформулирован Н. Бором, он является результатом философского осмысления квантовой механики. Согласно принципу дополнительности Бора, «Для полного описания квантово-механических явлений необходимо применять два взаимоисключающих (дополнительных) набора классических понятий (частиц и волн)». Только совокупность таких понятии дает исчерпывающую информацию об этих явлениях как о целостных. Н. Бор подчеркивает, что все приборы, регистрирующие индивидуальные акты в микромире, являются макроскопическими, поскольку наши органы чувств не воспринимают микропроцессов. Сам человек - существо макроскопическое. Отсюда следует, что понятия, которыми мы пользуемся для описания явлений, - это макроскопические понятия, в терминах которых описывается работа приборов.
2. Частным выражением принципа дополнительности является соотношение неопределенностей Гейзенберга, согласно которому, чем точнее фиксирован импульс, тем большая неопределенность будет в значении координаты. Также соотносятся энергия и время.
11
Динамические и статистические закономерности природы. Принцип соответствия.
Динамические законы рассматривают Природу на основе принципа жесткого детерминизма – принципа причинности, согласно которому необходимость, отраженная в форме закона, выступает как абсолютная противоположность случайному. Динамические законы представляют собой первый низший этап в процессе познания окружающего мира, к ним относятся классическая динамика Ньютона, классическая равновесная термодинамика и классическая электродинамика Максвелла.
Статистические законы (статистическая или квантовая механика, статистическая термодинамика) обеспечивают более современное отображение объективны связей в природе: они выражают следующий, более высокий этап познания), имеют отношение к объяснению хаоса и порядка. Феномены порядка и беспорядка (хаоса) в природе объясняются в физике на основе законов (начал) термодинамики. Термодинамика - это раздел физики, изучающий тепловые явления.
Первое начало термодинамики называют еще законом сохранения энергии. Согласно этому фундаментальному закону, энергия сохраняется в изолированной системе. Ее количество всегда остается постоянным, превращаясь лишь из одной формы в другую - механическую, тепловую, внутреннюю. Внутренняя энергия складывается из движений атомов, энергии химических связей, электронов. Первый закон термодинамики утверждает, что тепло, сообщенное системе, расходуется на увеличение ее внутренней энергии. Закон не имеет исключений и доказывает принципиальную невозможность создания вечного двигателя первого рода, который совершал бы работу больше, чем подводимая к нему энергия.
Второе начало термодинамики запрещает существование вечного двигателя второго рода, т. е. машины, способной совершать работу за счет переноса тепла от холодного тела к горячему. Согласно этому закону, тепло не может самопроизвольно перетечь от холодного тела к горячему. Второй закон термодинамики указывает на существование двух различных форм энергии - теплоты как меры хаотического движения частиц и работы, связанной с упорядоченным движением. Работу всегда можно превратить в эквивалентное ей тепло, но тепло нельзя полностью превратить в работу. Таким образом, неупорядоченную форму энергии нельзя превратить в упорядоченную.
Мерой неупорядоченности в термодинамике является энтропия, которая всегда положительна, кроме случая с идеальным кристаллом при абсолютном нуле (-273 оС), но третье начало термодинамики говорит о недостижимости абсолютного нуля. Иногда используется отрицательная величина энтропии - негэнтропия, которая является мерилом упорядоченности системы. Рост негэнтропии соответствует возрастанию порядка, а энтропии - росту хаоса.
В соответствии со вторым законом термодинамики в изолированных системах, т. е. системах, не обменивающихся с окружающей средой энергией, неупорядоченное состояние (хаос) не может самостоятельно перейти в порядок. Таким образом, в изолированных системах энтропия может только расти. Эта закономерность получила название принципа возрастания энтропии. Согласно этому принципу, любая система стремится к состоянию термодинамического равновесия, которое отождествляется с хаосом. Поскольку увеличение энтропии характеризует изменения во времени замкнутых систем, то энтропия выступает в качестве своеобразной стрелы времени.
Из этого принципа вытекает пессимистическая гипотеза о тепловой смерти Вселенной, сформулированная Р. Клазиусом, в соответствии с которой:
энергия Вселенной всегда постоянна;
энтропия Вселенной всегда возрастает.
Таким образом, все процессы во Вселенной направлены в сторону достижения состояния термодинамического равновесия, соответствующему состоянию наибольшего хаоса и дезорганизации. Все виды энергии деградируют, превратившись в тепло, и звезды закончат свое существование, отдав энергию в окружающее пространство. Установится постоянная температура лишь на насколько градусов выше абсолютного нуля. В этом пространстве будут разбросаны безжизненные, остывшие планеты и звезды. Не будет ничего - ни источников энергии, ни жизни.
Такая мрачная перспектива предсказывалась физикой вплоть до 60-х годов ХХ столетия, хотя выводы термодинамики противоречили результатам исследований в биологии и социальных науках. Так, эволюционная теория Дарвина свидетельствовала, что живая природа развивается преимущественно в направлении усовершенствования и усложнения новых видов растений и животных. История, социология, экономика, другие социальные и гуманитарные науки так же показывали, что в обществе, несмотря на отдельные зигзаги развития, в целом наблюдается прогресс.
Опыт и практическая деятельность свидетельствовали, что понятие закрытой или изолированной системы является достаточно грубой абстракцией, упрощающей действительность, поскольку в природе трудно найти системы, не взаимодействующие с окружающей средой. Противоречие стало разрешаться, когда в термодинамике вместо понятия закрытой изолированной системы ввели фундаментальное понятие открытой системы, т. е. системы, обменивающейся с окружающей средой веществом, энергией и информацией
Законы симметрии имеют однозначный, динамический характер, не допускающий статистического (вероятностного) разброса физических величин.
1. Принцип соответствия был сформулирован Н. Бором в 1923 г. Он определяется тем, что фундаментальные физические теории и законы не являются абсолютно точным отражением действительности. Каждая фундаментальная теория имеет определенные границы применимости. По мере развития науки менее точные теории заменяются более точными. Физические теории должны быть преемственны. Никакая новая теория не может быть справедливой, если не содержит предельного случая старой, оправдавшей себя в данной области. Так, классическая механика Ньютона правильно описывает движение в макромире при скоростях намного меньших, чем скорость света. Теория относительности справедлива для описания тел любых уровней с любыми скоростями. Каждая физическая теория является относительной истиной.
2. Принцип дополнительности возник в физике как попытка осознания противоречий микромира, связанных с открытием квантово-волнового дуализма. Согласно принципу дополнительности Бора, для полного описания квантово-механических явлений необходимо применять два взаимоисключающих (дополнительных) набора классических понятий - частиц и волн. Только совокупность таких понятий дает исчерпывающую информацию об объектах микромира.
Частным выражением принципа дополнительности является соотношение неопределенностей Гейзенберга. Элементарные частиц, совмещающие в себе одновременно свойства частицы и волны не могут рассматриваться как материальные точки. Поэтому их координаты, импульс и энергия могут быть заданы лишь приблизительно, на основе вероятностных законов. Поэтому в модели атома Бора электроны изображены как пространственные облака различной формы.
3. Принцип суперпозиции (наложения) имеет важное значение в физике, особенно в квантовой механике. Это допущение, согласно которому результирующий эффект представляет собой сумму эффектов, вызываемых каждым явлением в отдельности. Например, правило параллелограмма, которое применяется для сложения сил, действующих на тело. В классической механике этот принцип не универсален и выполняется лишь приближенно.
В микромире принцип суперпозиции является фундаментальным, в соответствии с ним складываются альтернативные, исключающие друг друга состояния. Например, при аннигиляция электрона и позитрона принцип суперпозиции допускает возникновение безмассовых незаряженных частиц - фотонов.
12
Физика Вселенной
Развитие научной космологии
Космология - атрофизическая теория, изучающая структуру и динамику развития Метагалактики, включающая в себя понимание свойств всей Вселенной.
1. Первой концепцией космологии можно считать геоцентрическую концепцию Птолемея, просуществовавшая в течение всего средневековья.
2. Основателем научной космологии считается Николай Коперник, создавший гелиоцентрическую модель Вселенной.
3. Классическая модель стационарной Вселенной была построена Исааком Ньютоном. Сущность этой теории можно выразить в следующих положениях:
- Вселенная вечна, т. е. является бесконечной в пространстве и времени.
- Пространство играет пассивную роль и является вместилищем небесных тел.
- Количество звезд, планет и звездных систем во Вселенной бесконечно велико.
- Движением планет и развитием небесных тел управляет закон всемирного тяготения.
- Каждое небесное тело проходит длительную эволюцию и на смену погасшим светилам приходят новые.
Классическая модель Вселенной была признанной в науке вплоть до начала ХХ века.
4. В конце XIX в. Л. Больцман предложил вероятностную гипотезу развития Вселенной. По его мнению, Вселенная почти всегда пребывает в состоянии тепловой смерти, но иногда в некоторых ее областях возникают крайне маловероятные отклонения от обычного состояния (флуктуации). Таким участком является Земля и весь видимый космос. В целом Вселенная - это мертвый океан с небольшими островками жизни.
Три космологических парадокса: фотометрический, гравитационный и термодинамический - заставили ученых усомниться в бесконечности и вечности Вселенной.
5 В 1917 г. А. Эйнштейн выступил с