Вопрос Наука и ее место в человеческой культуре
| Вид материала | Документы |
- 1. Наука и ее место в человеческой культуре, 2270.17kb.
- В. С. Семенов Религия, ее философские основания и место в культуре и обществе, 319.08kb.
- Вопрос Понятие науки, ее основные аспекты: наука как знание, как сфера деятельности,, 4069.42kb.
- Вопрос о технике и/или вопрос о культуре: какие задачи призван решать технический вуз?, 115.25kb.
- 2. Философия и её место в духовной культуре общества, 3240.1kb.
- Проблема экспертной оценки знания в социологии и философии науки, 353.95kb.
- 1. Общая цель всякого стремления. Частные цели отдельных видов человеческой деятельности, 30.59kb.
- Учебная программа, планы семинаров, список литературы, вопросы к зачету (экзамену), 337.43kb.
- Курс лекций Политология как наука, 651.23kb.
- Тема Философия, условия ее возникновения и место в культуре, 689.13kb.
Вопрос 15. Современные представления о солнечной системе
Со́лнечная систе́ма — планетная система, включающая в себя центральную звезду — Солнце — и все естественные космические объекты, вращающиеся вокруг неё.
Бо́льшая часть массы объектов, связанных с Солнцем гравитацией, содержится в восьми относительно уединённых планетах, имеющих почти круговые орбиты и располагающихся в пределах почти плоского диска — плоскости эклиптики. Четыре меньшие внутренние планеты: Меркурий, Венера, Земля и Марс, также называемые планетами земной группы, состоят в основном из силикатов и металлов. Четыре внешние планеты: Юпитер, Сатурн, Уран и Нептун, также называемые газовыми гигантами, в значительной степени состоят из водорода и гелия и намного массивнее, чем планеты земной группы.
В Солнечной системе имеются две области, заполненные малыми телами. Пояс астероидов, находящийся между Марсом и Юпитером, сходен по составу с планетами земной группы, поскольку состоит из силикатов и металлов. Крупнейшими объектами пояса астероидов являются Церера, Паллада и Веста. За орбитой Нептуна располагаются транснептуновые объекты, состоящие из замёрзшей воды, аммиака и метана, крупнейшими из которых являются Плутон, Седна, Хаумеа, Макемаке и Эрида. Дополнительно к тысячам малых тел в этих двух областях другие разнообразные популяции малых тел, таких как кометы, метеороиды и космическая пыль, перемещаются по Солнечной системе. Шесть планет из восьми и три карликовые планеты окружены естественными спутниками. Каждая из внешних планет окружена кольцами пыли и других частиц. Солнечный ветер (поток плазмы от Солнца) создаёт пузырь в межзвёздной среде, называемый гелиосферой, который простирается до края рассеянного диска. Гипотетическое облако Оорта, служащее источником долгопериодических комет, может простираться на расстояние примерно в тысячу раз больше по сравнению с гелиосферой. Солнечная система входит в состав галактики Млечный Путь.
Центральным объектом Солнечной системы является Солнце — звезда главной последовательности спектрального класса G2V, жёлтый карлик. В Солнце сосредоточена подавляющая часть всей массы системы (около 99,866 %), оно удерживает своим тяготением планеты и прочие тела, принадлежащие к Солнечной системе. Четыре крупнейших объекта — газовые гиганты, составляют 99 % оставшейся массы (при том, что большая часть приходится на Юпитер и Сатурн — около 90 %).
Большинство крупных объектов, обращающихся вокруг Солнца, движутся практически в одной плоскости, называемой плоскостью эклиптики. Однако в то же время кометы и объекты пояса Койпера часто обладают большими углами наклона к этой плоскости. Все планеты и большинство других объектов обращаются вокруг Солнца в одном направлении с вращением Солнца (против часовой стрелки, если смотреть со стороны северного полюса Солнца). Есть исключения, такие как комета Галлея. Самой большой угловой скоростью обладает Меркурий — он успевает совершить полный оборот вокруг Солнца всего за 88 земных суток. А для самой удалённой планеты — Нептуна — период обращения составляет 165 земных лет.
Бо́льшая часть планет вращается вокруг своей оси в ту же сторону, что и обращается вокруг Солнца. Исключения составляют Венера и Уран, причём Уран вращается практически «лёжа на боку» (наклон оси около 90°). Для наглядной демонстрации вращения используется специальный прибор — теллурий.
Многие модели Солнечной системы условно показывают орбиты планет через равные промежутки, однако в действительности, за малым исключением, чем дальше планета или пояс от Солнца, тем больше расстояние между её орбитой и орбитой предыдущего объекта. Например, Венера приблизительно на 0,33 а. е. дальше от Солнца, чем Меркурий, в то время как Сатурн на 4,3 а. е. дальше Юпитера, а Нептун на 10,5 а. е. дальше Урана. Были попытки вывести корреляции между орбитальными расстояниями (например, правило Тициуса — Боде), но ни одна из теорий не стала общепринятой. Орбиты объектов вокруг Солнца описываются законами Кеплера. Согласно им, каждый объект обращается по эллипсу, в одном из фокусов которого находится Солнце. У более близких к Солнцу объектов (с меньшей большой полуосью) больше угловая скорость вращения, поэтому короче период обращения (год). На эллиптической орбите расстояние объекта от Солнца изменяется в течение его года. Ближайшая к Солнцу точка орбиты объекта называется перигелий, наиболее удалённая — афелий. Каждый объект движется наиболее быстро в своём перигелии и наиболее медленно в афелии. Орбиты планет близки к кругу, но многие кометы, астероиды и объекты пояса Койпера имеют сильно вытянутые эллиптические орбиты. Большинство планет Солнечной системы обладают собственными подчинёнными системами. Многие окружены спутниками, некоторые из которых больше Меркурия. Большинство крупных спутников находятся в синхронном вращении, с одной стороной, постоянно обращённой к планете. Четыре крупнейшие планеты — газовые гиганты, также обладают кольцами, тонкими полосами крошечных частиц, обращающимися по очень близким орбитам в унисон.
Вопрос 16. Происхождение и строение Земли.
Первоначальное строение протопланетного облака и его структура в более поздний период выводятся из строения земных горных пород, горных пород, доставленных на
Землю с Луны, метеоритов и атмосфер Земли, Марса, Венеры и Юпитера.
Появлению теории развития Земли больше всех способствовали исследователи, изучавшие постепенную конденсацию и аккрецию твердой планеты по мере того как она увлекала огромны .. ..'ичества малых частиц из протопланетного диска, из которого обра-зовалась-теперешняя Солнечная система. Так как планета росла, она начала нагреваться в результате совместного действия гравитационного сжатия, столкновений с метеоритами и нагревания, вызванного радиоактивным распадом урана, тория и калия,
(Хотя калий обычно не считается радиоактивным элементом, 0,01 °/о этого элемента на Земле является радиоактивным изотопом калия-40.) В результате внутренние слои расплавились. Процесс расплавления можно назвать «железной катастрофой»; он включал в себя обширную перестройку всего тела планеты.
Расплавленные капли железа и сопутствующих ему элементов оседали к центру
Земли и там образовали расплавленное ядро, кот остается в значит степени оасплавленным и сегодня.
По мере того как тяжелые металлы оседали к центру, легкие «шлаки» всплывали наверх — к внешним слоям, которые в настоящее время составляют верхнюю мантию и кору. Возникновению более легких элементов, таких, как алюминий и кремний и два щелочных металла, натрий и калий, сопутствовало образование радиоактивных тяжелых элементов урана и тория. Объяснение возникновения этих тяжелых элементов лежит в механизме, посредством которого атомы урана и тория образуют кристаллические соединения. Размер и химическое сродство атомов препятствуют тому, чтобы они образовывали плотные, компактные структуры, которые являются устойчивыми при высоких давлениях, существующих в глубоких недрах Земли. Следовательно, атомы урана и тория были «выжаты» и вынуждены переселяться вверх, в область верхней мантии и коры, где они легко подошли к более открытым кристаллическим структурам силикатов и окислов, находящихся в горных породах земной коры
По мере того как внутри Земли произошла дифференциация на ядро, мантию и кору, вещество в верхних областях также расслаивалось на разные фракции, i Нижние слои коры состоят из базальтов и габбро — темных горных пород, в состав которых входят кальций, магний и соединения, богатые железом, главным образом силикаты. Они образовались в результате частичного расплавления и разделения более плотных веществ верхней мантии. Базальт и габбро сами подверглись дифференциации в результате кристаллизации и частичного плавления и так же, как более легкие жидкие вещества, были выдавлены через кору. В верхних слоях коры и на поверхности они затвердевали и образовывали такие более легкие горные породы вулканического происхождения, как гранит, обогащенные кремнием, алюминием и калием.
Форма Земли ближе всего напоминает геоид, понятие о котором ввел немецкий ученый И.Б.Листинг в 1873 г. Геоид - воображаемая выровненная поверхность Земли, всюду перпендикулярная к действительному направлению отвеса, т.е. силы тяжести. Она совпадает с зеркалом воды в океанах, находящихся в состоянии абсолютного покоя (мысленно продолженном и под материками).
По международному соглашению 1924 года приняты следующие постоянные величины Земли: радиус полярный 6356,863 км;
радиус экваториальный 6378,245 км;
радиус средний 6371 км;
площадь поверхности 510 млн. км2;
объем 1083204 млн. км3;
средняя плотность 5,5 г/см3;
масса 5,976 . 1027 г
Рельеф - совокупность всех форм поверхности литосферы или неровности всей каменной оболочки - не только в области суши, но и под водами морей и океанов. Современные материки занимают 149 млн. км2 (29,2% поверхности Земли). Большая часть материков имеет поверхность с небольшими абсолютными высотами. Наиболее глубокие впадины океанического дна лежат на глубине свыше 11000 м ниже уровня моря (Марианская впадина - 11022 м), наиб высокие горные вершины превышают 8000 м (Эверест 8848 м).
Сила тяжести, обусловливает вес тел, направлена всегда перпендикулярно к поверхности геоида и обратно пропорциональна квадрату расстояния от центра притяжения. Наблюдения над изменением силы тяжести на поверхности Земли производятся при помощи так называемых маятниковых и крутильных весов. Выяснено теоретически, что напряженность силы тяжести постепенно и равномерно убывает по направлению от полюсов к экватору. Однако, фактическое распределение силы тяжести на континентах и в областях океанов неодинаково. На любой широте над океанами сила тяжести больше, чем над континентами. Кроме того, на континентах на фоне равномерного убывания силы тяжести от полюсов к экватору наблюдаются участки ее аномального возрастания или убывания. Они называются положительными и отрицательными гравитац аномалиями и привлекают внимание геологов как районы возможного залегания полезных ископаемых. Положительные аномалии силы тяжести свидетельствуют о залегании на глубине более плотных масс, кот обычно явл руды металлов. Отрицательные аномалии - менее плотные массы (каменная соль, нефть, газ).
У поверхности Земли температурный режим определяется двумя источниками: теплом, получаемым от Солнца и собственным теплом планеты из ее недр. Соотношение этих источников таково: соответственно 99,5% и 0,5%. Приток внутреннего тепла очень неравномерно распределяется на Земле и сосредоточен в основном в местах проявления вулканизма. Однако прогревание солнечными лучами распространяется за год вглубь Земли самое большее на 8-30 см. Ниже этой границы располаг пояс постоянной температуры, соответ среднегодовой температуре данной местности. В шахтах и буровых скважинах, углублённых ниже пояса постоян темпер, наблюд постепенное увелич темпер с глубиной. Земля представл собою магнит, полюса кот не совпадают с географическими полюсами земного шара, хотя лежат близко к ним. Положение магнитных полюсов меняется с течением времени в связи с вековым изменением магнитного поля Земли.
Важной характеристикой магнитного поля Земли является его напряжённость. Единицей измерения напряжённости - эрстед - сила, сообщающая в 1 сек. массе в 1 мг ускорение в 1 мм. Макс напряжённость магнитного поля проявляется на полюсах; к магнитному экватору напряжённость падает. Это изобр на карте в виде изодинам - линий одинаковой напряжённости магнитного поля, которые близки в простирании к изоклинам (линиям одинакового наклонения магнитной стрелки), т.е. расположены почти широтно.
Особого внимания геологов заслуживают изменения напряжения магнитного поля на отдельных участках, выраженные в нарушении правильности изображения изолиний. Это так называемые магнитные аномалии. Положительные магнитные аномалии указывают на залежи руд с магнитными свойствами. Плотность вещества - отношение его массы к объёму (или величина его массы, заключенной в единице объёма). Плотности масс, залегающих на больших глубинах, определяются при помощи сейсмологии. Плотность горных пород изменяется в широких пределах. Есть породы, обладающие плотностью меньше воды, например, нефть (0,70). Следует отметить, что к горным породам относятся все тела, слагающие земную кору, независимо от их состава и агрегатного состояния (в том числе и вода). Есть в числе горных пород вещества и более плотные (Fe - 7,8 г/см3, Pt - 21,4).
В верхних слоях земной коры преобладают породы с плотностью 2,7, очень близкой к плотности гранитов. Средняя плотность Земли установлена на основе закона всемирного тяготения с помощью маятниковых или крутильных весов и равна 5,52 г/см3. Такая большая величина средней плотности Земли, превосходящая более чем в два раза плотность наиболее распространённых в земной коре пород убеждает в том, что в недрах Земли должны быть сосредоточены массы высокой плотности. Плотность ядра определена в среднем 11 г/см3. Совершенно очевидно, что с глубиной плотность вещества Земли должна возрастать, прежде всего в связи с его сжатием под воздействием вышележащих пород. Однако данные об изменении скорости продольных сейсмических волн показывают с углублением скачки в плотности пород. До глубины 8-80 км плотность плавно возрастает от 2,7 г/см3 (плотность наиболее распространённых пород) до 2,9 г/см3 (плотность базальтов). На границе 8-80 км плотность скачкообразно возрастает до 3,4 г/см3. Далее она плавно изменяется до 5,6 г/см3. На глубине 2900 км это изменение прерывается новым скачком до 10 г/см3. В центре Земли плотность достигает 13 г/см3.
Земная кора наиболее неоднородна. По глубине в ней выделяется 3 слоя (сверху вниз): осадочный, гранитный и базальтовый.
Осадочный слой образован мягкими, а иногда и рыхлыми горными породами, возникшими путём осаждения вещества в водной или воздушной среде на поверхности Земли. Осадочные породы обычно расположены в виде пластов, ограниченных параллельными плоскостями. Мощность слоя колеблется от нескольких метров до 10-15 км. Есть участки, где осадочный слой практически полностью отсутствует.
Гранитный слой сложен в основном магматическими и метаморфическими породами, богатыми Al и Si. Среднее содержание SiO2 в них более 60%, поэтому их относят к кислым породам. Плотность пород слоя 2,65-2,80 г/см3. Мощность 20-40 км. В составе океанической коры (например, на дне Тихого океана) гранитный слой отсутствует, являясь, т о, неотъемлемой частью именно континентальной земной коры.
Базальтовый слой лежит в основании земной коры и является сплошным, то есть, в отличие от гранитного слоя, присутствует в составе и континентальной, и океанической коры. Отделяется от гранитного поверхностью Конрада (К), на которой скорость сейсмических волн изменяется с 6 до 6,5 км/сек. Вещество, слагающее базальтовый слой, по химическому составу и физическим свойствам близко к базальтам (менее богатым SiO2, чем граниты). Плотность вещества достигает 3,32 г/см3. Скорость прохождения продольных сейсмических волн увеличивается от 6,5 до 7 км/сек у нижней границы, где снова происходит скачок скорости и она достигает 8-8,2 км/сек. Эта нижняя граница земной коры прослеживается повсюду и называется границей Мохоровичича (югославский ученый) или границей М.
Мантия располагается под земной корой в интервале глубин от 8-80 до 2900 км. Температура в верхних слоях (до 100 км) - 1000-1300оС, с глубиной повышается и у нижней границы достигает 2300оС. Однако вещество находится там в твердом состоянии вследствие давления, которое на больших глубинах составляет сотни тысяч и миллионы атмосфер. На границе с ядром (2900 км) наблюдается преломление и частичное отражение продольных сейсмических волн, а поперечные волны эту границу не проходят ("сейсмическая тень" составляет от 103о до 143о дуги). Скорость распростр волн в нижней части мантии - 13,6 км/сек.
Сравнительно недавно стало известно, что в верхней части мантии располагается слой разуплотнённых пород - астеносфера, лежащий на глубине 70-150 км (под океанами глубже), в котором фиксируется падение скоростей упругих волн приблизительно на 3 %.
Ядро по физическим свойствам резко отличается от облекающей его мантии. Скорость прохождения продольных сейсмических волн составляет 8,2-11,3 км/сек. Дело в том, что на границе мантии и ядра происходит резкое падение скорости продольных волн от 13,6 до 8,1 км/сек. Ученые давно пришли к выводу, что плотность ядра значительно выше плотности поверхностных оболочек. Она должна отвечать плотности железа, находящегося в соответствующих барометрических условиях. Поэтому широко распространено представление о том, что ядро состоит из Fe и Ni и обладает магнитными свойствами. Присутствие в ядре этих металлов связывается с первичной дифференциацией вещества по удельному весу. В пользу железо-никелевого ядра говорят и метеориты. Ядро разделяется на внешнее и внутреннее. Во внешней части ядра давление составляет 1,5 млн. атм.; плотность 12 г/см3. Продольные сейсмические волны распространяются здесь со скоростью 8,2-10,4 км/сек. Внутреннее ядро находится в жидком состоянии, и конвективные потоки в нём индуцируют магнитное поле Земли. Во внутреннем ядре давление достигает 3,5 млн. атм., плотность 17,3-17,9 г/см3, скорость продольных волн 11,2-11,3 км/сек. Расчёты показывают, что температура должна достигать там нескольких тысяч градусов (до 4000о). Вещество там находится в твердом состоянии благодаря высокому давлению.
Внешние сферы Земли: гидросфера, атмосфера и биосфера.
Гидросфера объединяет всю совокупность проявления форм воды в природе, начиная от сплошного водного покрова, занимающего 2/3 поверхности Земли (моря и океаны) и кончая водой, входящей в состав горных пород и минералов. в таком понимании гидросфера является непрерывной оболочкой Земли. В нашем курсе рассматривается прежде всего та часть гидросферы, которая образует самостоят водный слой - океаносфера.
Из общей площади Земли в 510 млн. км2, 361 млн. км2 (71 %) покрыт водой. Схематически рельеф дна Мирового океана изображается в виде гипсографической кривой. На ней показано распределение высоты суши и глубины океанов; четко выражены 2 уровня морского дна с глубинами 0-200 м и 3-6 км. Первый из них - область относительного мелководья, опоясывающая в виде подводной площадки побережья всех континентов. Это материковая отмель или шельф. Со стороны моря шельф ограничен крутым подводным уступом - континентальным склоном (до 3000 м). На глубинах 3-3,5 км располагается континентальное подножие. Ниже 3500 м начинается океаническое ложе (ложе океана), глубина которого до 6000 м. Континентальное подножие и ложе океана составляют второй ясно выраженный уровень морского дна, сложенный типично океанической корой (без гранитного слоя). Среди океанического ложа, главным образом в периферических частях Тихого океана, располагаются глубоководные впадины (желоба) - от 6000 до 11000 м. Примерно так гипсографическая кривая выглядела еще 20 лет назад. Одним из важнейших геологических открытий последнего времени явилось открытие срединных океанических хребтов - глобальной системы подводных гор, приподнятых над ложем океана на 2 и более километра и занимающих до 1/3 площади океанического дна. О геологическом значении этого открытия будет сказано позднее.
В воде океанов присутствуют почти все известные химические элементы, однако преобладают только 4: O2, H2, Na, Cl. Содержание растворённых в морской воде химических соединений (солёность) определяется в весовых процентах или промилле (1 промилле = 0,1 %). Средняя солёность океанской воды 35 промилле (в 1 л воды 35 г солей). Солёность меняется в широких пределах. Так, в Красном море она достигает 52 промилле, в Чёрном море до 18 промилле.
Атмосфера представляет собой самую верхнюю воздушную оболочку Земли, которая окутывает ее сплошным покровом. Верхняя граница не отчетлива, так как плотность атмосферы убывает с высотой и переходит в безвоздушное пространство постепенно. Нижняя граница - поверхность Земли. Эта граница также условна, так как воздух проникает на некоторую глубину в каменную оболочку и содержится в растворенном виде в толще воды. В атмосфере выделяются 5 основных сфер (снизу вверх): тропосфера, стратосфера, мезосфера, ионосфера и экзосфера. Для геологии важна тропосфера, так как она соприкасается непосредственно с земной корой и оказывает на нее существенное влияние.
Тропосфера отличается большой плотностью, постоянным наличием водяного пара, углекислоты и пыли; постепенным понижением температуры с высотой и существованием в ней вертикальной и горизонтальной циркуляции воздуха. В химическом составе помимо основных элементов - О2 и N2 - всегда присутствуют СО2, водяной пар, немного инертных газов (Ar), Н2, сернистый ангидрид и пыль. Циркуляция воздуха в тропосфере очень сложна.
Биосфера - своеобразная оболочка (выделена и названа акад. В.И.Вернадским), объединяет те оболочки, в которых присутствует жизнь. Она не занимает обособленного пространства, но проникает в земную кору, атмосферу и гидросферу. Биосфера играет большую роль в геологических процессах, участвуя как в создании горных пород, так и в их разрушении.
Живые организмы наиболее глубоко проникают в гидросферу, которую часто называют "колыбелью жизни". Особенно богата жизнь в океаносфере, в ее поверхностных слоях. В зависимости от физико-географической обстановки, в первую очередь от глубин, в морях и океанах выделяется несколько биономических зон (греч. "биос" - жизнь, "номос" - закон). Эти зоны различаются по условиям существования организмов и их составу. В области шельфа выделяются 2 зоны: литоральная и неритовая. Литораль - это сравнительно узкая полоса мелководья, два раза в сутки осушаемая во время отлива. Благодаря специфике литораль заселена организмами, способными переносить временное осушение (морские черви, некоторые моллюски, морские ежи, звёзды). Глубже зоны приливов и отливов в пределах шельфа расположена неритовая зона, наиболее богато населённая разнообразными морскими организмами. Здесь широко представлены все типы животного мира. По образу жизни различают бентосных животных (обитателей дна): сидячий бентос (кораллы, губки, мшанки и т.д.), блуждающий бентос (ползающие - ежи, звёзды, раки). Нектонные животные способны самостоятельно передвигаться (рыбы, головоногие моллюски); планктонные (планктон) - парящие в воде во взвешенном состоянии (фораминиферы, радиолярии, медузы). Материковому склону соответствует батиальная зона, континентальному подножию и океаническому ложу - абиссальная зона. Условия жизни в них мало благоприятны - полный мрак, высокое давление, отсутствие водорослей. Однако и там в последнее время обнаружены абиссальные оазисы жизни, приуроченные к подводным вулканам и зонам истечения гидротерм. Основу биоты здесь составляют гигантские анаэробные бактерии, вестиментиферы и другие своеобразные организмы.
Глубина проникновения живых организмов внутрь Земли в основном лимитируется температурными условиями. Теоретически для самых стойких прокариот она составляет 2,5-3 км. Живое вещество активно влияет на состав атмосферы, которая в современном виде - результат жизнедеятельности организмов, обогативших ее кислородом, углекислым газом, азотом. Чрезвычайно велика роль организмов в формировании морских осадков, многие из которых являются полезными ископаемыми (каустобиолиты, джеспилиты и др.).
Вопрос 17. Непрерывность и дискретность. Квантовая механика
С древнейших времен существовали два противоположных представления о структуре материального мира. Одно из них: континуальная концепция Анаксагора - Аристотеля - базировалось на идее непрерывности, внутренней однородности, "сплошности" и, по-видимому, было связано с непосредственными чувственными впечатлениями, которые производят вода, воздух, свет и т.п. Материю, согласно этой концепции, можно делить до бесконечности, и это является критерием ее непрерывности. Заполняя все пространство целиком, материя не оставляет пустоты внутри себя.
Другое представление: атомистическая (корпускулярная) концепция Левкиппа - Демокрита - было основано на дискретности пространственно-временного строения материи, "зернистости" реальных объектов и отражало уверенность человека в возможность деления материальных объектов на части лишь до определенного предела - до атомов, которые в своем бесконечном разнообразии (по величине, форме, порядку) сочетаются различными способами и порождают все многообразие объектов и явлений реального мира. При таком подходе необходимым условием движения и сочетания реальных атомов является существование пустого пространства. Надо признать, что корпускулярный подход оказался чрезвычайно плодотворным в различных областях естествознания. Прежде всего, это, конечно, относится к ньютоновской механике материальных точек. Очень эффективной оказалась и основанная на корпускулярных представлениях молекулярно-кинетическая теория вещества, в рамках которой были интерпретированы законы термодинамики. Правда, механистический подход в чистом виде оказался здесь неприменимым, так как проследить за движением 1023 материальных точек, находящихся в одном моле вещества, не под силу даже современному компьютеру. Однако если интересоваться только усредненным вкладом хаотически движущихся материальных точек в непосредственно измеряемые макроскопические величины (например, давление газа на стенку сосуда), то получалось прекрасное согласие теоретических и экспериментальных результатов. Законы К. м. составляют фундамент изучения строения вещества. Они позволили выяснить строение атомов, установить природу химической связи, объяснить периодическую систему элементов, понять строение ядер атомных, изучать свойства элементарных частиц. Поскольку свойства макроскопических тел определяются движением и взаимодействием частиц, из которых они состоят, законы К. м. лежат в основе понимания большинства макроскопических явлений. К.м. позволила, напр., объяснить температурную зависимость и вычислить величину теплоёмкости газов и твёрдых тел, определить строение и понять многие свойства твёрдых тел (металлов, диэлектриков, полупроводников). Только на основе К. м. удалось последовательно объяснить такие явления, как ферромагнетизм, сверхтекучесть, сверхпроводимость, понять природу таких астрофизических объектов, как белые карлики, нейтронные звёзды, выяснить механизм протекания термоядерных реакций в Солнце и звёздах.
В квантовой механике довольно распространенной является ситуация, когда некоторая наблюдаемая имеет парную наблюдаемую. Например, импульс – координата, энергия – время. Такие наблюдаемые называются дополнительными или сопряженными. Ко всем им применим принцип неопределенности Гейзенберга.
Существует несколько различных эквивалентных математических описаний квантовой механики:
При помощи уравнения Шрёдингера;
При помощи операторных уравнений фон Неймана и уравнений Линдблада;
При помощи операторных уравнений Гейзенберга;
При помощи метода вторичного квантования;
При помощи интеграла по траекториям;
При помощи операторных алгебр, так называемая алгебраическая формулировка;
При помощи квантовой логики.
Вопрос 18. Концепции микромира. Разнообразие элементарных частиц.
Микромир — это мир молекул, атомов и элементарных частиц. Один из трех (наряду с мега- и макромиром) масштабных уровней физического мира, для которого характерны расстояния и размеры менее 10–8 м.
Элементарные частицы
Элементарными частицами называют такие частицы, которые не удается расщепить на составные части. В соответствии с этим определением атомы и молекулы не являются элементарными частицами. Термин "элементарные частицы" не следует воспринимать слишком буквально. Элементарными частицами следует считать электроны, протоны, нейтроны, фотоны и нейтрино. Нейтрино - это частица была предсказана в 1930 г. физиком Пауэлем. Она уникальна, подвержена действию только слабых сил, ее взаимодействие с веществом ничтожно, поэтому эта частичка может легко проходить сквозь землю. Античастицы отличаются от соответствующих им частиц только зарядом. Все остальные характеристики подобны им. Из этого следует, что в системе частиц и античастиц сумма зарядов равна нулю. Когда говорят о частицах, выделяют стабильные (указанные выше фотоны, нейтрино и т.п.) и нестабильные. В 1932 г. в составе космических лучей был открыт позитрон, имеющий такую же массу как электрон, но противоположный по знаку заряда. В 1936 г. были открыты частицы - мюоны, с положительным и отрицательным зарядом. По своим свойствам они похожи на электроны, но в 200 раз тяжелее. В 1947 г. в космических лучах обнаружены положительные и отрицательные частицы п-мезоны, они в 280 раз тяжелее электрона. С 1949-52 были открыты к-мезоны и гипероны - эти частицы получили название странных частиц, поскольку оказалось, что прямого отношения к образованию вещества эти частицы не имеют.
С 1950-х гг. началась новая эра в изучении элементарных (субъядерных) частиц. Это было связано с тем, что удалось создать ускорители заряженных частиц, на которых было получено очень большое число так называемых неустойчивых частиц. Их еще назвали резонансами, т.к. у них очень малое время жизни. Открытие странных частиц внесло определенный вклад в понимание эволюции Вселенной в начальный период. Предполагается, что эти странные частицы существовали на самой ранней стадии эволюции Вселенной. Ускорители частиц. Они сейчас разнообразны и предназначены для разных целей. Обязательно наличие вакуума в ускорителях. Исследования на ускорителях стоят безумных денег, поэтому сначала предсказывают теоретически процессы, и только потом они проверяются на практике. Всем элементарным частицам присущи две основные черты:
все частицы пока существуют остаются неизменными. Все частицы одного сорта остаются абсолютно одинаковыми, т.е. они неразличимы;
все частицы могут рождаться и исчезать, эти процессы, как правило, происходят при взаимодействии частиц. При столкновении двух и более энергетических частиц могут рождаться множество новых. Теоретики при рассмотрении взаимодействия частиц исходят из закона сохранении энергии и закона сохранения импульса при прогнозировании процессов. В настоящее время определено богатство свойств известных наук элементарных частиц. Причем у многих этих свойств нет аналогов среди известных свойств макроскопических объектов. Основные характеристики элементарных частиц, описанных абстрактным языком математики, следующие: масса, заряд, средний период существования, спин, изотропный спин, одиночность, парность, лептиновый заряд, заряд бориона, взаимное влияние. Постараемся дать характеристики этим свойством элементарных частиц. Одно из самых главных свойств, характеризующих элементарные частицы – масса. Отметим, что масса покоя элементарных частиц определяется относительно массы покоя электрона (me=9,1×10–31 кг). В настоящее время более широко распространена классификация элементарных частиц в зависимости от величины их массы покоя. Согласно этой классификации все элементарные частицы длятся на 4 группы:
1) легкие элементарные частицы – лептоны. Сюда входят электрон, нейтрино и их античастицы – позитрон, антинейтрино, а так же положительные и отрицательные мю-мезоны. За исключением последних лептоны перед вступлением во взаимное влияние стабильны и в свободном состоянии существуют более 1020 лет. Мю-мезоны же не являются стабильными частицами, прожив две стомиллионные секунды распадаются, превращаются в электрон, нейтрон и антинейтрон. Масса покоя нейтрино и антинейтрино очень мала, взятые вместе они равны 0,0005 части массы электрона.
2) частицы средней массы – мезоны. Сюда входят положительные, отрицательные и нейтральные пи-мезоны с массой 270 me – масса покоя, и некоторые виды кА-мезоны с массой 970 me. Все мезоны нестабильны, обладают очень маленьким периодом существования (до 7-19 секунд).
3)тяжелые частицы – нуклоны. Сюда входят протон, нейтрон и их античастицы – антипротон и антинейтрон. Протон и антипротон стабильны, нейтрон и антинейтрон – нестабильные частицы, обладают относительно длинным периодом существования – 17 минут.
4) гипероны – самые тяжелые частицы. В эту группу входит очень много частиц и античастиц. Масса гиперонов от 2182 me до 2585 me. Срок существования всех гиперонов одинаков – 10–10 секунды.
Иногда нуклоны и гипероны объединяют в единую группу под названием барионы. В эту группу также можно включит образующий особую группу и являющийся квантом электромагнитного поля фотон. Несмотря на то что подобная классификация элементарных частиц не раскрывает объединяющие их основные закономерности, в любом случае она предоставляет возможность изучить целый ряд свойств и превращений частиц и даже предсказать существование некоторых частиц.
Вопрос 19. Уровни организации неживой материи и основные виды взаимодействий
Все виды материи связаны между собой генетически, то есть каждый из них развивается из другого. Строение материи можно представить как определенную иерархию этих уровней.
Согласно современным научным взглядам, глубинные структуры материального мира представлены объектами элементарного уровня. Это прежде всего элементарные частицы. Их свойства оказались весьма необычными, резко отличающимися от свойств макротел, с которыми мы сталкиваемся в повседневном опыте. Все элементарные частицы обладают одновременно и корпускулярными, и волновыми свойствами, а закономерности их движения, изучаемые квантовой физикой, отличаются от закономерностей движения макротел, описанных в классической физике. Элементарные частицы участвуют в четырех типах взаимодействия - сильном, слабом, электромагнитном и гравитационном. Только два последних типа взаимодействий проявляют себя на любых сколь угодно больших расстояниях, и поэтому им подчинены процессы не только микромира, но и макротел, планет, звезд и галактик (макро- и мегамир). Что же касается сильных и слабых взаимодействий, то они характерны только для процессов микромира. Одним из самых удивительных открытий последней трети XX века было обнаружение того, что электромагнитные и слабые взаимодействия представляют собой стороны, различные проявления единой сущности - электрослабого взаимодействия.
Элементарные частицы можно классифицировать по типам взаимодействия. Адроны (тяжелые частицы - протоны, нейтроны, мезоны и др.) участвуют во всех взаимодействиях. Лептоны (от греч. leptos - легкий; например, электрон, нейтрино и др.) не участвуют в сильных взаимодействиях, а только в электрослабых и гравитационных. Гипотетические гравитоны выступают носителями только гравитационных сил. В сильных взаимодействиях многие адроны неразличимы, они как бы на одно лицо. Например, неотличимы друг от друга нуклоны - нейтроны и протоны, все П-мезоны (Пи-мезоны) выступают как одна частица. Но когда включаются электромагнитные силы, то нуклоны расщепляются на две составляющие, а П-мезоны на три (П°, П+, П-). Подобное расщепление позволяет рассматривать частицы как проявления некоторой глубинной структуры. Поиск таких структур составляет главную цель современной физики. На этом пути наука стремится обнаружить те глубинные свойства и состояния материи, которые в конечном счете определяют эволюцию Вселенной, особенности взаимодействия и развития ее объектов.
Первым большим успехом на этом пути было открытие кварковой структуры адронов. Кварки оказались весьма экзотическими объектами не только потому, что у них дробный электрический заряд (1/3 или 2/3 от заряда электрона, принимаемого за 1). Само взаимодействие кварков, осуществляемое благодаря обмену глюонами, таково, что увеличение расстояния между кварками внутри адронов приводит к резкому возрастанию связывающих их сил. Поэтому в отличие от ранее известных элементарных частиц (протонов, нейтронов, электронов и др.) кварки пока не обнаружены в свободном состоянии. Они оказываются как бы запертыми внутри адронов. Но в эксперименте их можно прозондировать: при столкновении частиц больших энергий внутри адронов обнаруживается несколько своеобразных центров, на которых происходит рассеяние частиц и которые физика отождествляет с кварками.
Кварки и лептоны выступают в качестве базисных объектов в системе элементарных частиц. Они являются главным строительным материалом для вещества нашего мира, поскольку ядра атомов существуют благодаря взаимодействию кварков, а формирование электронных оболочек вокруг ядра приводит к образованию атомов. Элементарный уровень организации материи включает наряду с элементарными частицами еще и такой необычный физический объект, как вакуум. Физический вакуум - не пустота, а особое состояние материи. В вакуум погружены все частицы и все физические тела. В нем постоянно происходят сложные процессы, связанные с непрерывным появлением и исчезновением так называемых "виртуальных частиц". Выяснилось, что физический вакуум способен скачком перестраивать свою структуру. Такие переходы из одного состояния к другому, связанные с резким изменением характеристик системы, в физике называют фазовыми (известным их примером служат переходы воды в пар и лед). Физический вакуум тоже оказался способным к фазовым скачкам.
Эти новые идеи современной физики микромира послужили опорой необычных представлений о развитии нашей астрономической Вселенной, о ее возникновении путем взрыва, связанного с массовым рождением элементарных частиц в результате одного из фазовых переходов вакуума. Взаимодействие объектов субэлементарного уровня и возникающих на их основе элементарных частиц служит фундаментом для образования более сложных материальных систем. Из элементарных частиц строятся атомы, которые являются качественно специфическим видом материи. Элементарные частицы, ядра атомов, ионы (атомы, потерявшие часть электронов на электронных оболочках) могут образовать особое состояние материи, подобие газа, которое называется плазмой. Огромные плазменные тела, стянутые электромагнитными, гравитационными полями, образуют звезды, представляющие особый уровень организации материи. В их недрах протекают ядерные реакции, в ходе которых одни частицы превращаются в другие, и за счет этого звезды постоянно излучают энергию.
Вопрос 20. Важнейшие положения синергетики как теории сложных систем