Естествознание как комплекс наук о природе. Наука в постижении бытия

Вид материала

Документы

Содержание Ультрафиолетовая катастрофа Кванты и закономерности внешнего фотоэффекта. Опыты Столетова Законы внешнего фотоэффекта 7.5. Реальность квантов: опыт Комптона и комбинационное рассеяние света. Постулаты Бора. Принцип Паули При́нцип Па́ули 7.7. Соотношение неопределенностей. Неопределённостей соотношение Корпускулярно-волновой дуализм 8.1. Особенности и новые направления современной астрономии 8.2. Мир Фридмана 8.3. Теория инфляции и теория Большого Взрыва.

Подобный материал:

• Естествознание как комплекс наук о природе (естественных наук) Дифференциация наук, 216.86kb.
• 1. Понятие и определение иммунитета, 164.05kb.
• Лекция Естествознание – единая наука о природе. Основные этапы развития естествознания, 20.66kb.
• Концепция современного естествознания Глава 1: Предмет естествознания, 397.47kb.
• Программа курса «Методология и методика научного исследования» Специальность 080507, 44.29kb.
• Тематика семинарских занятий. Тема Естествознание и его место в культуре, 105.96kb.
• Программа предусматривает рассмотреть три аспекта бытия науки: • наука как познавательная, 195.42kb.
• Вопросы кандидатского экзамена по истории и философии науки, 168.1kb.
• Вопросы кандидатского экзамена по истории и философии науки, 136.8kb.
• Вопросы кандидатского экзамена по истории и философии науки, 252.02kb.

Ультрафиолетовая катастрофа

Формулы (3) и (4) удовлетворительно согласуются с экспериментальными данными лишь для больших длин волн, на более коротких волнах согласие с экспериментом резко расходится. Более того интегрирование (3) по ω в пределах от 0 до для равновесной плотности энергии u(T) дает бесконечно большое значение. Этот результат, получивший название ультрафиолетовой катастрофы, очевидно, входит в противоречие с экспериментом: равновесие между излучением и излучающим телом должно устанавливаться при конечных значениях u(T). Однако ошибки в выводе формулы Релея — Джинса, с классической точки зрения — нет. Очевидно несогласие с экспериментом вызвано некими закономерностями, которые несовместимы с классической физикой. Эти закономерности были определены Максом Планком: в 1900 году ему удалось найти вид функции u(ω,T), соответствующий опытным данным, в дальнейшем называемую формулой Планка.

В 1900 г. немецкий физик Макс Планк предлагает Квантовую теорию излучения, согласно которой свет излучается не непрерывно (как это предполагается классической теорией), а дискретно – порциями, которые Планк назвал квантами. Несмотря на парадоксальность этой теории (в которой излучение света рассматривался, как волновой процесс, и, в то же время, как поток частиц — квантов), она хорошо описывала форму спектра теплового излучения твёрдых и жидких тел.

Гипотеза Планка о квантах нарушила "незыблемое" правило классической физики о том, что любая физическая величина, в том числе и энергия, изменяется непрерывным образом, и за бесконечно малый промежуток времени ее изменение всегда бесконечно мало. Эта гипотеза оказала огромное влияние на последующее развитие физики. Именно развитие гипотезы Планка о квантах, высказанной в начале столетия, привело к появлению квантовой механики - современной физической теории, в которой идея квантования или дискретности распространяется на различные физические величины, характеризующие состояние системы. В этом смысле 1900 г. можно назвать годом рождения квантовой физики, которая за последующие сто лет бурно развивалась и позволила физикам создать законченную и непротиворечивую картину микромира на уровне атомных явлений.

      На первом этапе с помощью гипотезы о квантовании энергии излучения Планку удалось дать исчерпывающее теоретическое описание равновесного теплового излучения, сняв все противоречия классической теории.

3. Кванты и закономерности внешнего фотоэффекта. Опыты Столетова
   

Внешним фотоэффектом (фотоэлектронной эмиссией) называется испускание электронов веществом под действием электромагнитных излучений. Электроны, вылетающие из вещества при внешнем фотоэффекте, называются фотоэлектронами, а электрический ток, образуемый ими при упорядоченном движении во внешнем электрическом поле, называется фототоком

Законы внешнего фотоэффекта

• Закон Столетова: при неизменном спектральном составе электромагнитных излучений, падающих на фотокатод, фототок насыщения пропорционален энергетической освещенности катода (иначе: число фотоэлектронов, выбиваемых из катода за 1 с, прямо пропорционально интенсивности излучения):
  и
  
• Для данного фотокатода максимальная начальная скорость фотоэлектронов зависит от частоты распространяющихся электромагнитных колебаний и не зависит от его интенсивности.
  
• Для каждого фотокатода существует красная граница фотоэффекта, то есть минимальная частота электромагнитного излучения ν₀ при которой фотоэффект ещё возможен
  
• В 1888—1890 годах фотоэффект систематически изучал русский физик Александр Столетов. Им были сделаны несколько важных открытий в этой области, в том числе выведен первый закон внешнего фотоэффекта
  

Эксперимент был проведен в 1888 г. Затем фундаментальные исследования были сделаны многими учеными, такими как Планк, Эйнштейн и др.
Схема эксперимента была такова: электрометр, с присоединенной к нему цинковой пластинкой, заряженной положительно, при освещении пластины, например электрической дугой, не влияет на быстроту разрядки электрометра. Но если пластину зарядить отрицательно, то световой пучок от дуги разряжает электрометр очень быстро.
Объяснить это можно единственным образом. Свет вырывает электроны с поверхности пластины. Если она заряжена отрицательно, электроны отталкиваются от нее и электрометр разряжается. При положительном заряде пластины вырванные светом электроны притягиваются к пластине и снова оседают на ней. Поэтому заряд электрометра не изменяется. Однако, когда на пути света поставлено обыкновенное стекло, отрицательно заряженная пластина уже не теряет электроны, какова бы ни было интенсивность излучения. Так как известно, что стекло поглощает ультрафиолетовые лучи, то из этого можно заключить, что именно ультрафиолетовый участок спектра вызывает фотоэффект. Этот сам по себе не сложный факт нельзя объяснить на основе классической электромагнитной теории света. Согласно этой теории вырывание электронов является результатом «раскачивание» их в электромагнитном поле световой волны, которое должно усиливаться при увеличении интенсивности света и пропорциональной ей энергетической освещенности фотокатода.
Планк, рассматривая излучения абсолютно черного тела, пришел к выводу, что излучение формулу, сопоставив свои работы с формулой Вина. Кстати, Планк получил нобелевскую
премию за эту формулу. Развивая идеи Планка, Эйнштейн ввел гипотезу световых квантов, согласно которой электромагнитное излучение само состоит из таких квантов, и на ее основе объяснил, и сформулировал ряд закономерностей фотоэффекта, люминисценсии и фотохимических реакций. За проделанную по настоящему гениальную работу, Эйнштейн в 1921 году был удостоен нобелевской премии. Работы его были удостоены и многих других почетных наград.
Первый закон гласит, что количество электронов, вырываемых с поверхности металла за одну секунду, прямо пропорционально поглощаемой за это время энергии световой волны. В этом ничего неожиданного нет: чем больше энергия светового пучка, тем эффективнее его действие.


7.5. Реальность квантов: опыт Комптона и комбинационное рассеяние света.


Эффект Комптона (Комптон-эффект) — явление изменения длины волны электромагнитного излучения вследствие рассеивания его электронами. Обнаружен американским физиком Артуром Комптоном в 1923 году для рентгеновского излучения. В 1927 Комптон получил за это открытие Нобелевскую премию по физике.

Объяснить эффект Комптона невозможно в рамках классической электродинамики. С точки зрения классической физики электромагнитная волна является непрерывным объектом и в результате рассеяния на свободных электронах изменять свою длину волны не должна. Эффект Комптона является прямым доказательством квантования электромагнитной волны, другими словами подтверждает существование фотона. Эффект Комптона является ещё одним доказательством справедливости корпускулярно-волнового дуализма микрочастиц.

Эффект Рамана (комбинационное рассеяние света) — неупругое рассеяние оптического излучения на молекулах вещества (твёрдого, жидкого или газообразного), сопровождающееся заметным изменением его частоты. В отличие от рэлеевского рассеяния, в случае комбинационного рассеяния света в спектре рассеянного излучения появляются спектральные линии, которых нет в спектре первичного (возбуждающего) света. Число и расположение появившихся линий определяется молекулярным строением вещества.

6. Постулаты Бора. Принцип Паули
   

Планетарная модель атома позволила объяснить результаты опытов по рассеянию альфа-частиц вещества, однако возникли принципиальные трудности при обосновании устойчивости атомов.

Первая попытка построить качественно новую - квантовую - теорию атома была предпринята в 1913 г. Нильсом Бором. Он поставил цель связать в единое целое эмпирические закономерности линейчатых спектров, ядерную модель атома Резерфорда и квантовый характер излучения и поглощения света. В основу своей теории Бор положил ядерную модель Резерфорда. Он предположил, что электроны движутся вокруг ядра по круговым орбитам. Движение по окружности даже с постоянной скоростью обладает ускорением. Такое ускоренное движение заряда эквивалентно переменному току, а переменный ток создает в пространстве переменное электромагнитное поле. На создание этого поля расходуется энергия. Энергия поля может создаваться за счет энергии кулоновского взаимодействия электрона с ядром. В результате электрон должен двигаться по спирали и упасть на ядро. Однако опыт показывает, что атомы - очень устойчивые образования. Отсюда вытекает вывод, что результаты классической электродинамики, основанной на уравнениях Максвелла, неприменимы к внутриатомным процессам. Необходимо найти новые закономерности. В основу своей теории атома Бор положил следующие постулаты.

Первый постулат Бора (постулат стационарных состояний): в атоме существуют стационарные (не изменяющиеся со временем) состояния, в которых он не излучает энергии. Стационарным состояниям атома соответствуют стационарные орбиты, по которым движутся электроны. Движение электронов по стационарным орбитам не сопровождается излучением электромагнитных волн.

Этот постулат находится в противоречии с классической теорией. В стационарном состоянии атома электрон, двигаясь по круговой орбите, должен иметь дискретные квантовые значения момента импульса.

Второй постулат Бора (правило частот): при переходе электрона с одной стационарной орбиты на другую излучается (поглощается) один фотон с энергией

hv = En — Еm

равной разности энергий соответствующих стационарных состояний (En u Em - соответственно энергии стационарных состояний атома до и после излучения/поглощения).

Переходу электрона со стационарной орбиты под номером т на стационарную орбиту под номером п соответствует переход атома из состояния с энергией Em в состояние с энергией En. При En > Em, происходит излучение фотона (переход атома из состояния с большей энергией в состояние с меньшей энергией, т. е. переход электрона с более удаленной от ядра орбиты на более близлежащую), при En < Em - его поглощение (переход атома в состояние с большей энергией, т. е. переход электрона на более удаленную от ядра орбиту). Набор возможных дискретных частот

v = (En - Em)/ h

квантовых переходов и определяет линейчатый спектр атома.

Теория Бора блестяще объяснила экспериментально наблюдаемый линейчатый спектр водорода.

Успехи теории атома водорода были получены ценой отказа от фундаментальных положений классической механики, которая на протяжении более 200 лет остается безусловно справедливой. Поэтому большое значение имело прямое экспериментальное доказательство справедливости постулатов Бора, особенно первого - о существовании стационарных состояний. Второй постулат можно рассматривать как следствие закона сохранения энергии и гипотезы о существовании фотонов.

Немецкие физики Д. Франк и Г. Герц, изучая методом задерживающего потенциала столкновение электронов с атомами газов (1913 г.), экспериментально подтвердили существование стационарных состояний и дискретность значений энергии атомов.

Наибольший успех концепция Бора имела применительно к атому водорода, для которого оказалось возможным построить количественную теорию спектра.

Однако построить количественную теорию для следующего за водородом атома гелия на основе представлений Бора не удалось. Относительно атома гелия и более сложных атомов теория Бора позволила делать лишь качественные (хотя и очень важные) заключения.

Постулаты Бора оказались совершенно правильными. Но они уже выступали не как постулаты, а как следствия основных принципов этих теорий; правило же квантования Бора оказалось приближенным следствием, принимаемым далеко не всегда.

Представление об определенных орбитах, по которым движется электрон в атоме Бора, оказалось весьма условным. На самом деле движение электронов в атоме имеет мало общего с движением планет по орбитам.

В настоящее время с помощью квантовой механики можно ответить на многие вопросы, касающиеся строения и свойств любых элементов.

При́нцип Па́ули (принцип запрета) — один из фундаментальных принципов квантовой механики, согласно которому два и более тождественных фермиона не могут одновременно находиться в одном квантовом состоянии.

Принцип был сформулирован для электронов Вольфгангом Паули в 1925 г. в процессе работы над квантомеханической интерпретацией аномального эффекта Зеемана и в дальнейшем распространён на все частицы с полуцелым спином. Полное обобщённое доказательство принципа было сделано им в 1940 г. в рамках релятивистской квантовой механики: волновая функция системы фермионов является антисимметричной относительно их перестановок, поведение систем таких частиц описывается статистикой Ферми — Дирака.

Принцип Паули можно сформулировать следующим образом: в пределах одной квантовой системы в данном квантовом состоянии может находиться только одна частица, состояние другой должно отличаться хотя бы одним квантовым числом.

Принцип Паули помогает объяснить разнообразные физические явления. Следствием принципа является наличие электронных оболочек в структуре атома, из чего в свою очередь следует разнообразие химических элементов и их соединений. Количество электронов в отдельном атоме равно количеству протонов, так как электроны являются фермионами, принцип Паули запрещает им принимать одинаковые квантовые состояния. В итоге все электроны не могут быть в одном квантовом состоянии с наименьшей энергией (для невозбуждённого атома), а заполняют последовательно квантовые состояния с наименьшей суммарной энергией (при этом не надо забывать, что электроны неразличимы и нельзя сказать в каком именно квантовом состоянии находится данный электрон).


7.7. Соотношение неопределенностей.


Неопределённостей соотношение, принцип неопределённости, фундаментальное положение квантовой теории, утверждающее, что любая физическая система не может находиться в состояниях, в которых координаты её центра инерции и импульс одновременно принимают вполне определённые, точные значения. Количественная формулировка Неопределённостей соотношение: если Dx — неопределённость значения координаты х, а (p_x — неопределённость проекции импульса на ось х, то произведение этих неопределённостей должно быть по порядку величины не меньше постоянной Планка . Аналогичные неравенства должны выполняться для любой пары так называемых канонически сопряжённых переменных, например для координаты у и проекции импульса р_у на ось у, координаты z и проекции импульса p_z. Если под неопределённостями координаты и импульса понимать среднеквадратичные отклонения этих физических величин от их средних значений, то Неопределённостей соотношение имеют вид:



  Ввиду малости  по сравнению с макроскопическими величинами той же размерности действия Неопределённостей соотношение существенны в основном для явлений атомных (и меньших) масштабов и не проявляются при взаимодействиях макроскопических тел.

  Из Неопределённостей соотношение следует, что чем точнее определена одна из входящих в неравенство величин, тем менее определённым является значение другой. Никакой эксперимент не может привести к одновременно точному измерению таких динамических переменных; при этом неопределённость в измерениях связана не с несовершенством экспериментальной техники, а с объективными свойствами материи.

6. Детерминизм и вероятность. Корпускулярно-волновой дуализм материи.
   

Детермини́зм (от лат. determine — определяю) — учение о первоначальной определяемости всех происходящих в мире процессов, включая все процессы человеческой жизни, со стороны Бога (теологический детерминизм, или учение о предопределении), или только явлений природы (космологический детерминизм), или специально человеческой воли (антропологическо-этический детерминизм), для свободы которой, как и для ответственности, не оставалось бы тогда места. Под определяемостью, здесь подразумевается философское утверждение, что каждое произошедшее событие, включая и человеческие поступки, и поведение, однозначно определяется множеством причин, непосредственно предшествующих данному событию. В таком свете детерминизм может быть также определен как тезис, утверждающий, что имеется только одно, точно заданное, возможное будущее.

Детерминизм может перейти, при неполном истолковании, в фатализм

Вероятность (вероятностная мера) — мера достоверности случайного события. Оценкой вероятности события может служить частота его наступления в длительной серии независимых повторений случайного эксперимента. Согласно определению П. Лапласа мерой вероятности называется дробь, числитель которой есть число всех благоприятных случаев, а знаменатель - число всех возможных случаев.

Корпускулярно-волновой дуализм — теория в квантовой механике, гласящая, что в зависимости от системы отсчета поток электромагнитного излучения можно рассматривать и как поток частиц (корпускул), и как волну. В частности, свет — это и корпускулы (фотоны), и электромагнитные волны. Свет демонстрирует свойства волны в явлениях дифракции и интерференции при масштабах, сравнимых с длиной световой волны. Например, одиночные фотоны, проходящие через двойную щель, создают на экране интерференционную картину, определяемую уравнениями Максвелла.^[1]. Тем не менее, эксперимент показывает, что фотон не есть короткий импульс электромагнитного излучения, например, он не может^{[источник?]} быть разделён на несколько пучков оптическими делителями лучей. Корпускулярные свойства света проявляются при фотоэффекте. Фотон ведет себя и как частица, которая излучается или поглощается целиком объектами, размеры которых много меньше его длины волны (например, атомными ядрами), или вообще могут считаться точечными (например, электрон).

7. Современная научная картина мира. Концепция неоднородной расширяющейся Вселенной.
   

8.1. Особенности и новые направления современной астрономии

Под астрономией понимают науку о небесных объектах. Однако часто используют и термин астрофизика.

Буквальное значение слова астрофизика в переводе с греческого языка означает физика звезд. Однако в настоящее время это слово имеет значительно более широкое значение. Астрофизика - это наука о физических явлениях во Вселенной. Она изучает не только звезды, но и межзвездную и межгалактическую среды, а также свойства и взаимодействие мельчайших частиц вещества (элементарных частиц, атомов, молекул), от которых существенно зависят многие свойства космических объектов, а также и Вселенной в целом.

Следует подчеркнуть, что в настоящее время стирается различие между понятиями астрофизика и астрономия, и многие разделы современной астрофизики в свое название включают слово "астрономия". Так, например, ряд разделов современной астрофизики принято называть "Радиоастрономия", "Оптическая астрономия", "Рентгеновская астрономия", "Нейтринная астрономия" и т.д. Такое смещение понятий возникло в результате происшедшей в последние десятилетия революции в астрономии. Суть этой революции состоит не только в том, что человечество освоило ближнее космическое пространство и активно использует его для научных исследований, а главным образом в том, что современная астрофизика (и астрономия) стала всеволновой. Это означает, что в настоящее время ученые осуществляют наблюдения небесных объектов в широком диапазоне электромагнитного излучения, начиная от самых длинных радиоволн и заканчивая самыми энергичными фотонами, энергия которых достигает величины 10¹⁶ эВ, а также такими элементарными частицами, как нейтрино.

В астрофизике реализуется два концептуальных подхода. Один подход состоит в исследовании индивидуальных небесных объектов, таких, как планеты, звезды, пульсары, квазары, галактики, скопления галактик и др. Другой подход заключается в изучении общих физических принципов для разнообразных астрофизических процессов и в попытке установить общие законы развития материи во Вселенной.

Самый существенный вопрос для астрофизики, каким образом возможно получить информацию о небесных объектах. В настоящее время известны четыре канала получения информации.

1. Электромагнитное излучение: гамма-лучи, рентгеновские лучи, ультрафиолетовое, видимое, инфракрасное и радио-излучения.
   
2. Космические лучи, которые достигают окрестности Земли и могут взаимодействовать с ее атмосферой. Первичный состав космических лучей включает высокоэнергичные электроны, протоны и тяжелые ядра, а также нестабильные нейтроны и мезоны. В первичный состав космических лучей входят также антипротоны и позитроны, то есть антиматерия. Но значительная часть из них образуется в результате взаимодействия протонов и ядер с межзвездным и межпланетным веществом, а также с атмосферами звезд и планет.
   
3. Нейтрино и антинейтрино. В настоящее время известны три типа нейтрино, два из которых связаны с электронами и мю-мезонами, а третий тип - с тау-мезонами.
   
4. Гравитационные волны, которые возникают при взрывах массивных звезд и могут дать информацию о движениях массивных небесных тел. Хотя гравитационные волны и не были детектированы напрямую, существует много наблюдательных данных, которые подтверждают их существование.
   

Вершиной успеха современной астрофизики явилось открытие небесных объектов с совершенно необычными физическими свойствами. Во-первых, это нейтронные звезды, которые представляют собой очень компактные, размером всего около 10 км объекты. Магнитное поле таких звезд достигает исключительно громадной величины ~10¹³ гаусс, совершенно недостижимой в земных лабораторных условиях. В таких громадных полях полностью изменяется структура вещества и его свойства. Во-вторых, это черные дыры - объекты, у которых вторая космическая скорость равна скорости света. В третьих, это квазары, которые являются ядрами галактик и представляют собой сверхмассивные черные дыры. Важной частью современной астрофизики является космология, то есть наука о том, как возникла и развивалась Вселенная в целом, а также наука о крупномасштабной структуре Вселенной.

8.2. Мир Фридмана

Александр Александрович Фридман - один из основателей современной теории турбулентности и советской школы динамической метеорологии, автор важных работ по теории относительности, математике и теоретической механике.

Научная деятельность Фридмана была сосредоточена главным образом в области теоретической метеорологии и гидромеханики. В этих областях проявился его блестящий математический талант, неизменное стремление и умение доводить решение теоретических задач до конкретного, практического приложения.

А.А.Фридман является одним из основоположников динамической метеорологии. Ему принадлежат фундаментальные труды по теории атмосферных вихрей, вертикальных воздушных течений и др. Он занимался также вопросами приложения теории физических процессов в атмосфере к воздухоплаванию.

Основным трудом Фридмана по гидромеханике является его работа "Опыт гидромеханики сжимаемой жидкости" (1922). В ней он дал наиболее полную теорию вихревого движения в жидкости, рассмотрел, а для ряда случаев решил важную проблему о возможных движениях сжимаемой жидкости при действии на нее определенных сил. Это фундаментальное исследование позволяет считать Фридмана одним из создателей теории сжимаемых жидкостей.

Большой вклад он внес в общую теорию относительности Эйнштейна - предсказание расширение Вселенной. В своей широко известной работе "О кривизне пространства" (1922) Фридман по существу дал набросок основных идей космологии: об однородности распределения вещества в пространстве и, как следствие, об однородности и изотропности пространства-времени, т. е. о существовании "мирового" времени, для которого в каждый момент метрика пространства будет одинакова во всех точках и по всем направлениям. Эта теория важна прежде всего тем, что приводит к достаточно корректному объяснению фундаментального явления - эффекта красного смещения. Полученное Фридманом при указанных предположениях решение уравнений поля является образцом для любых космологических теорий.

Интересно отметить, что Эйнштейн вначале считал, что космологическое решение уравнений поля должно быть статично и привести к замкнутой модели Вселенной. Фридман отверг эти условия Эйнштейна и получил свое самостоятельное решение. Эйнштейн признал свою первоначальную точку зрения ошибочной, а результаты Фридмана - верными.

Занятия Фридмана общей теорией относительности отнюдь не были спорадическими. В последние годы жизни он вместе с профессором В.К.Фредериксом (1885-1944) стал писать многотомный учебник по современной физике, который открывался книгой "Мир как пространство и время", посвященной теории относительности, знание которой Фридман считал краеугольным камнем физического образования. Работы Фридмана по общей теории относительности дали динамическую модель Вселенной и впервые позволили объяснить строение и развитие мира как целого.

Наряду с большой научной работой Фридман в течение ряда лет читал курсы высшей математики, а затем теоретической механики в различных высших учебных заведениях Петрограда (Политехническом институте. Институте инженеров путей сообщения, Военно-морской академии). Он находил время для создания новых оригинальных курсов: приближенные вычисления и решение численных уравнений, специальные курсы дифференциальной геометрии и тензорного анализа, гидромеханики, прикладной аэродинамики и теоретической механики. Курс теоретической механики Фридмана сочетал в себе математическую строгость и логическую последовательность с подлинно технической и физической направленностью.


8.3. Теория инфляции и теория Большого Взрыва.