О. П. Чернушич Предмет, задачи и особенности современного естествознания Естествознание это комплекс наук, изучающих явления и закон
| Вид материала | Закон |
- Концепция современного естествознания Глава 1: Предмет естествознания, 397.47kb.
- Семинар естествознание как элемент целостной человеческой культуры, 133.59kb.
- Лекция 1 Предмет и структура естествознания Естествознание, 74.75kb.
- Гончарова Оксана Владимировна Кандидат биологических наук, доцент Концепции современного, 1123.43kb.
- Концепция Современного Естествознания, 690.55kb.
- Учебно-методический комплекс дисциплины концепции современного естествознания Специальность, 187.08kb.
- Учебно-методический комплекс по дисциплине Концепции современного естествознания Направления, 781.33kb.
- Камчатский государственный технический университет, 33.59kb.
- Учебно-методический комплекс Для студентов всех специальностей, кроме специальности, 519.51kb.
- Учебно-методический комплекс дисциплины концепции современного естествознания для студентов, 331.69kb.
КОНЦЕПЦИИ СОВРЕМЕННОГО ЕСТЕСТВОЗНАНИЯ
Преподаватели: П.Е.Покревский, И.В.Солдатова, О.П.Чернушич
Предмет, задачи и особенности современного естествознания
Естествознание – это комплекс наук, изучающих явления и законы природы. Современное естествознание включает в себя множество естественнонаучных отраслей: физику, астрономию, химию, биологию, геологию, экологию и др. С одной стороны, сегодня происходит процесс интеграции наук, что привело к созданию наук, стоящих на стыке различных естественно-научных отраслей, таких как биофизика, физическая химия, химическая физика, астрофизика, геохимия и др., а, с другой стороны, происходит дифференциация наук, т.е. выделение в рамках какой-либо из естественных наук, отраслей, занимающихся более конкретными проблемами. Так, в физике можно выделить физику плазмы, кристаллографию, физику космических лучей и др. Исследования в этих отраслях физики носят столь глобальный характер, что эти науки давно уже приобрели самостоятельный статус.
Огромную роль в естествознании играет математика. Именно благодаря математике естествознание стало современным. Математика – это формальный язык естествознания. Сегодня основу всех естественнонаучных теорий составляет математическое описание со стройной логической структурой.
Знания, а, следовательно, и науки бывают естественные и гуманитарные. Для отдельного человека вопрос различения знаний оборачивается главным образом проблемой выбора рода занятий, профессии, формирования культурных навыков и привычек. Для общества в целом проблемы выбора нет, но есть проблема совмещения, взаимосогласованности и гармонии ценностей двух типов культур естественно-научной и гуманитарной.
Само понятие «культура» является сложным и многогранным, понятием, которое вызывает многочисленные споры. Нов самом простом смысле, культура – это совокупность созданных человеком материальных и духовных ценностей, а также сама человеческая способность эти ценности производить и использовать.
С помощью данного понятия обычно подчеркивают надприродный, чисто социальный характер человеческого бытия. Культура – это все то, что создано человеком как бы в добавление к природному миру, хотя и на основе последнего. Но, в то же время, мир человеческой культуры существует не рядом с природным, а внутри него и потому неразрывно с ним связан. Следовательно, всякий предмет культуры в принципе можно разложить, как минимум, на две составляющие – природную основу и его социальное содержание и оформление.
Именно эта двойственность мира культуры и является в итоге основанием возникновения двух ее типов: естественнонаучного и гуманитарного. Первый изучает явления и законы природы, а второй – общество в целом и роль человека в обществе.
В таблице 1 приведены критерии различия гуманитарного и естественнонаучного знания.
Таблица 1.
Критерии различения естественнонаучного и гуманитарного Знания
| Критерии различения | Естественные науки | Гуманитарные науки |
| 1 | 2 | 3 |
| Объект исследования | Природа | Человек, общество |
| Ведущая функция | Объяснение (истины доказываются) | Понимание (истины истолковываются) |
| Характер методологии | Генерализирующий (обобщающий) | Индивидуализирующий |
| Влияние ценностей | Малозаметно, неявно | Существенно, открыто |
| Антропоцентризм | Изгоняется | Неизбежен |
| Идеологическая нагрузка | Идеологический нейтралитет | Идеологическая нагруженность |
| Взаимоотношения субъекта и объекта познания | Строго разделены | Частично совпадают |
| Количественно – качественные характеристики | Преобладание количественных оценок | Преобладание качественных оценок |
| Применение экспериментальных методов | Составляет основу методологии | Затруднено |
| Характер объекта исследования | а) материальный; в)относительно устойчивый | а)больше идеальный, чем материальный; в)относительно изменчивый |
Таким образом, гуманитарные и естественные науки весьма серьезно разделены. Но, несмотря на то, что размежевание этих культур приняло драматические формы, особенно в наши дни, они изначально взаимосвязаны и взаимозависимы. Они нуждаются друг в друге как наши правая и левая руки, как слух и зрение и т.д. Они не столько противоположны, сколько, согласно принципу дополнительности Нильса Бора, взаимодополнительны.
Сегодня человечество снова приходит к мысли, что современное образование должно быть целостным, т.е. включать и естественнонаучные, и гуманитарные знания. Но в XXI веке объем необходимой для изучения информации чрезвычайно велик. В связи с этим возникает вопрос: «Как ее изучать »? А вслед за ним и другой вопрос: «А можно ли вообще ее изучить»? Оказывается можно, если излагать естественнонаучные знания в рамках концепций, т.е. основопологающих идей и системного подхода. В основу дисциплины «Концепции современного естествознания» и положен концептуальный принцип, который позволяет на уровне основополагающих идей и системного подхода сформировать естественно-научное мировоззрение.
Ценность науки обычно рассматривается с двух точек зрения: что наука дает людям для улучшения их жизни, и что наука дает небольшой группе людей, изучающих природу и желающих знать, как устроен окружающий их мир? Ценной в первом случае является прикладная наука, а во втором – фундаментальная. Фундаментальные и прикладные науки тесно связаны между собой. Довольно часто, ученый, занимаясь какой-то конкретной задачей, открывает фундаментальные законы природы.
В разделе прикладных наук особое место занимают технические науки. К ним относятся электротехника, энергетика, материаловедение, металлургия и др. Предмет их исследований – техника, технология, материалы. Главной особенностью технических наук считается то, что конечной их целью выступает не познание истины о природных процессах, а эффективное использование этих процессов в производственной и иной деятельности человека.
Сильное государство всегда тратит много денег на фундаментальные исследования, несмотря на то, что выгоду от них можно получить только через многие годы. Ценность фундаментальных исследований заключается не только в возможной выгоде от них, но и в том, что они позволяют поддерживать высокий научный уровень прикладных исследований.
В основе естественнонаучного познания лежат три основные положения:
1) в основе естественнонаучного познания лежит причинно-следственная связь;
2) истинность естественнонаучных знаний подтверждается экспериментом;
3) любое естественнонаучное знание относительно.
Эти положения соответствуют трем основным стадиям или этапам естественно–научного познания. На первом этапе устанавливается причинно-следственная связь в соответствии с принципом причинности. В современном понимании причинность означает связь между отдельными составляющими видов и форм материи в процессе ее движения и развития. Возникновение любых объектов и систем, а также изменение их свойств во времени, имеют свои основания в предшествующих состояниях материи в процессе ее движения и развития. Эти основания называются причинами, а вызванные ими изменения – следствиями. Причинно-следственная связь является основой не только естественнонаучного познания, но и любой другой деятельности человека.
Вторая стадия познания заключается в проведении эксперимента. Критерий естественнонаучной истины – эксперимент. Эксперимент – это высшая инстанция естествоиспытателей, и его приговор не подлежит пересмотру.
Любые естественнонаучные знания (понятия, идеи, концепции, модели, теории, экспериментальные результаты и т.п.) ограничены и относительны. Определение границ соответствия и относительности естественнонаучных знаний является третьей стадией естественнонаучного познания. Например, установленная граница соответствия, называемая иногда интервалом адекватности, для классической механики означает, что ее законы описывают движение макроскопических тел, скорости которых малы по сравнению со скоростью света в вакууме.
Весь процесс развития естествознания – это последовательное приближение к абсолютной истине.
Эксперимент сегодня составляет основу естествознания, является наиболее эффективным и действенным способом познания. Для современного эксперимента характерно: возрастание роли теории при подготовке к эксперименту; сложность технической аппаратуры и масштабность.
Если есть возможность, эксперимент повторяют: воспроизводимость результатов – веский аргумент в пользу правильности полученных данных, позволяющий исключить случайную ошибку. Огромную роль при проведении эксперимента играет измерение. Можно сказать, что почти вся история естественных наук – это в значительной мере придумывание и реализация различных способов измерений. С течением времени точность возрастает, а погрешности измерений – уменьшаются. Это приводит к тому, что уже сегодня человек может заглянуть и в глубину Вселенной и внутрь молекулы, а успехи ученых в области нанотехнологий столь велики, что скоро человек заглянет внутрь атома.
После того, как получены экспериментальные данные, ученый приступает к их анализу и обработке. В физике этот процесс, как правило, представляет собой составление и решение уравнений. Далее следует построение моделей. Следующий шаг – создание теории явления, которая не только подводит итог всему сделанному, но и рисует перспективы для дальнейшего исследования. Основой или фундаментом, теории служат опытные данные. Ярусом выше располагаются гипотезы, допущения и аксиомы, общие законы – «строительный материал» моделей, образующих следующий уровень. Правила логического вывода служат своего рода лестницами, соединяющими различные ярусы. В верхнем ярусе располагаются теории, выводимые из всего, что лежит ниже.
Результаты теории в какой-то момент могут передаваться инженерам, которые воплощают их в новые технические приборы, инструменты, позволяющие задавать природе новые вопросы. Цикл повторяется сначала, но не по замкнутому кругу, а по развертывающейся – с каждым разом все шире и шире – спирали. Процесс познания бесконечен.
В современном понимании методология естествознания – это учение о принципах построения, формах и способах естественнонаучного познания.
Метод – это совокупность приемов, или операций, практической или теоретической деятельности.
Метод неразрывно связан с теорией. Неразрывная связь метода и теории выражается в методологической роли естественнонаучных законов. Например, законы сохранения в естествознании составляют методологический принцип, требующий обязательного их учета при соответствующих теоретических операциях; рефлекторная теория высшей нервной деятельности служит одним из методов исследования поведения животных и человека.
Различные методы отраслей естествознания (физики, химии, биологии и т.п.) являются частными по отношению к общему диалектическому методу познания. Каждая отрасль естествознания, имея свой предмет изучения и свои теоретические принципы, применяет свои специальные методы. Применяемые специальные методы, например, в археологии или географии обычно не выходят за пределы этих наук. В то же время физические и химические методы, применяются не только в физике и химии, но и ряде других наук, например, астрономии, биологии, археологии. Применение метода какой-либо отрасли науки в других отраслях возможно потому, что их объекты подчиняются законам этой науки. Например, физические и химические методы применяются в биологии на том основании, что объекты биологического исследования включают в себя в том или ином виде физические и химические формы движения материи.
Приведем определения методов, которые используются практически во всех отраслях естествознания.
Сравнение – это установление сходства и различия объектов.
Сравнение лежит в основе многих естественнонаучных измерений, составляющих неотъемлемую часть любых экспериментов. Сравнивая объекты между собой, человек получает возможность правильно ориентироваться в окружающем нас мире.
Процесс естественнонаучного познания совершается таким образом, что мы сначала наблюдаем общую картину изучаемого объекта, в которой частности остаются в тени. При таком наблюдении нельзя познать внутреннюю структуру объекта.
Анализ представляет собой мысленное или реальное разложение объекта на составляющие его части.
Когда путем анализа частности достаточно изучены, наступает следующая стадия познания – синтез.
Синтез – это объединение в единое целое расчлененных анализом элементов.
Анализ фиксирует в основном то специфическое, что отличает части друг от друга. Синтез вскрывает то общее, что связывает части в единое целое.
Каждый изучаемый объект характеризуется множеством свойств и связей с другими объектами. В процессе естественнонаучного познания возникает необходимость сконцентрировать внимание на одной какой-либо стороне или свойстве изучаемого объекта и отвлечься от ряда других его качеств или свойств.
Абстрагирование – это мысленное выделение какого-либо предмета, в отвлечении от его связей с другими предметами, какого-либо свойства предмета в отвлечении от других его свойств, какого-либо отношения предметов в отвлечении от самих предметов.
Абстрагирование составляет необходимое условие возникновения и развития любой науки и человеческого познания вообще. Иоганну Кеплеру были неважны красноватый цвет Марса или температура поверхности Солнца для установления законов обращения планет. Когда Луи де Бройль устанавливал связь между свойствами электрона как частицы и как волны, он имел полное право не интересоваться никакими другими свойствами этой частицы.
Важным приемом естественнонаучного познания окружающего мира является идеализация как специфический вид абстрагирования.
Идеализация – это мысленное образование абстрактных объектов, не существующих и не осуществимых в действительности, но для которых имеются прообразы в реальном мире.
Фактически, идеализация – это создание моделей, позволяющих лучше познать окружающий нас мир. Примерами идеализированных понятий являются: «материальная точка», «точечный электрический заряд», «идеальный газ», «абсолютно черное тело» и т.д.
Важной задачей любого естественнонаучного познания является обобщение.
Обобщение – это процесс мысленного перехода от единичного к общему, от менее общего к более общему.
Примерами обобщения являются: мысленный переход от понятия «треугольник» к понятию «многоугольник», от понятия «механическая форма движения материи» к понятию «форма движения материи» и т.д.
Процесс естественнонаучного познания осуществляется двумя взаимосвязанными путями: путем восхождения от конкретного к абстрактному и наоборот.
Под абстрактным понимается одностороннее, неполное отражение объекта в сознании. Конкретное же знание есть отражение реальной взаимосвязи элементов объекта в системе целого, рассмотрение его со всех сторон, в развитии, со всеми свойственными ему противоречиями.
Конкретное – это результат научного исследования, отражение объективной действительности в системе понятий и категорий. Методом теоретического познания объекта как целого является восхождение от абстрактного к конкретному.
В природе самого понимания фактов лежит аналогия, связывающая неизвестное с известным. Новое легче осмысливается и понимается через образы и понятия старого, известного.
Аналогией называется вероятное, правдоподобное заключение о сходстве двух предметов в каком-либо признаке на основании установленного их сходства в других признаках.
В современной науке и технике все большее распространение получает метод моделирования.
Метод моделирования заключается в воспроизводстве свойств объекта познания на специально устроенном его аналоге – модели.
Ценность модели заключается в том, что ее значительно легче изготовить, с ней легче осуществлять эксперименты, чем с оригиналом и т.д.
В качестве методов естественнонаучного познания также широко используются индукция и дедукция.
Индукция – это выведение общего положения из частных посылок.
Дедукция – это процесс аналитического рассуждения от общего к частному.
Дедукция – основное средство доказательства. Дедукция, проводящаяся по строгим правилам не может приводить к заблуждениям.
Сегодня основной парадигмой естествознания ( парадигма – заданный выдающимися научными достижениями образец постановки и решения проблем, на который ориентируются ученые в разработке научных теорий) является создание современной единой естественно – научной картины мира.
Физические концепции
Слово “физика” появилось еще в древние времена и в переводе с греческого означает “природа”. Крестным отцом физики считается «Учитель Древности» - Аристотель (384-322 до н.э.). Именно он задумал физику как науку о природе, но основателем физики он так и не стал. Это связано с тем, что почти все суждения Аристотеля о физическом устройстве мира оказались неправильными, что, в свою очередь связано с отсутствием эксперимента во времена Античности.
Физика составляет основу естествознания, как раз и изучающего природу. Физика - это наука о природе, изучающая простейшие и вместе с тем наиболее общие свойства материального мира.
В соответствии с многообразием исследуемых форм материи и ее движения она подразделяется на механику, термодинамику, электричество, оптику, атомную и ядерную физику, которые в свою очередь делятся на многие подразделы. На стыке физики с другими естественными науками возникли биофизика, астрофизика, геофизика, физическая химия и т.д.
Всю историю развития физики можно условно разделить на три основных этапа:
- доклассической физики;
- классической физики;
- современной физики.
Первый этап охватывает период времени от Аристотеля (IV в. до н.э.) до конца XVI в.
Начало второго этапа связывают с одним из основателей естествознания Галилео Галилеем и основоположником классической физики Исааком Ньютоном.
К началу XX в. появились экспериментальные результаты, трудно объяснимые в рамках классических знаний. На рубеже XIX-XX в физике произошла революция, которая изменила ряд наших представлений об окружающем мире. Альберт Эйнштейн создает специальную теорию относительности, а Макс Планк формулирует основы квантовой механики.
Одна из важнейших задач естествознания – создание естественнонаучной картины мира в виде целостной упорядоченной системы. Для решения данной задачи используются общие и абстрактные понятия: материя, движение, время и пространство.
Материя – это все то, что прямо или косвенно действует на органы чувств человека и другие объекты. Неотъемлемое свойство материи – движение, которое представляет собой любые изменения, происходящие с материальными объектами результате их взаимодействий. Материя не существует в бесформенном состоянии – из нее образуется сложная иерархическая система материальных объектов различных масштабов и сложности.
В современном естествознании различают три вида материи: вещество, физическое поле и физический вакуум.
Вещество – основной вид материи, обладающей массой. В химии вещества подразделяются на простые (с атомами одного химического элемента) и сложные –химические соединения. Свойства вещества зависят от внешних условий и интенсивности взаимодействия составляющих его атомов и молекул, что и обусловливает различные агрегатные состояния вещества: твердое, жидкое, газообразное и плазменное. Переход вещества из одного состояния в другое можно рассматривать как один из видов движения материи.
Физическое поле – особый вид материи, обеспечивающий физическое взаимодействие материальных объектов и их систем.
Физический вакуум – низшее энергетическое состояние квантового поля. Среднее число частиц – квантов поля – в вакууме равно нулю, однако в нем могут рождаться виртуальные частицы – частицы в промежуточных состояниях, существующие короткое время. Виртуальные частицы влияют на физические процессы. При достаточно большой концентрации энергии вакуум взаимодействует с реальными частицами. Предполагается, что из физического вакуума, находящегося в возбужденном состоянии, родилась Вселенная.
Всеобщими универсальными формами существования и движения материи принято считать время и пространство.
Время выражает порядок смены физических состояний и является объективной характеристикой любого процесса или явления. Временная характеристика реальных процессов основывается на постулате времени: одинаковые во всех отношениях явления происходят за одинаковое время.
Пространство выражает порядок сосуществования физических тел.
Пространство, как и время, относительно.
В настоящее время принято считать, что не только вещество, но и другие виды материи – физическое поле и физический вакуум – имеют дискретную структуру. Даже пространство и время, согласно квантовой теории поля, в сверхмалых масштабах образуют хаотически меняющуюся пространственно-временную среду с ячейками размером 10-35 м и временем 10-43 с. Квантовые ячейки настолько малы, что их можно не учитывать при описании свойств атомов, нуклонов и т.п., считая пространство и время непрерывными.
Долгое время считалось, что взаимодействие материальных объектов, находящихся на большом расстоянии друг от друга, передается через пустое пространство мгновенно. Такое утверждение соответствует концепции дальнодействия. К настоящему времени экспериментально подтверждена другая концепция – концепция близкодействия: взаимодействия передаются посредством физических полей с конечной скоростью, не превышающей скорости света в вакууме. Эта, по существу, полевая концепция в квантовой теории поля дополняется утверждением: при любом взаимодействии происходит обмен особыми частицами – квантами поля.
Все взаимодействия можно отнести к четырем видам фундаментальных взаимодействий: гравитационному, электромагнитному, сильному и слабому.
Гравитационное взаимодействие проявляется во взаимном притяжении любых материальных объектов, имеющих массу. В соответствии с квантовой теорией поля переносчиками гравитационного взаимодействия являются гравитоны – частицы с нулевой массой, кванты гравитационного поля.
Электромагнитное взаимодействие обусловлено электрическими зарядами и передается посредством электрического и магнитного полей. Электрическое поле возникает при наличии электрических зарядов, а магнитное – при их движении. Изменяющееся магнитное поле порождает переменное электрическое поле, которое, в свою очередь, является источником переменного магнитного поля. Благодаря электромагнитному взаимодействию существуют атомы и молекулы, происходят химические превращения вещества. Различные агрегатные состояния вещества, трение, упругость и т.п. определяются силами межмолекулярного взаимодействия, электромагнитными по своей природе. Согласно квантовой электродинамике, переносчиками электромагнитного взаимодействия являются фотоны – кванты электромагнитного поля с нулевой массой.
Сильное взаимодействие обеспечивает связь нуклонов в ядре. Оно определяется ядерными силами, обладающими зарядовой независимостью, короткодействием, насыщением и другими свойствами. Сильное взаимодействие отвечает за стабильность атомных ядер. Чем сильнее взаимодействие нуклонов в ядре, тем стабильнее ядро, тем больше его удельная энергия связи. С увеличением числа нуклонов в ядре и, следовательно, размера ядра удельная энергия связи уменьшается и ядро может распадаться, что и происходит с ядрами элементов, находящихся в конце таблицы Менделеева. Сильное взаимодействие передается глюонами (векторными бозонами) – частицами, “склеивающими” кварки, входящие в состав протонов, нейтронов и других частиц.
В слабом взаимодействии участвуют все элементарные частицы, кроме фотона. Оно обусловливает большинство распадов элементарных частиц, взаимодействие нейтрино с веществом и другие процессы. Слабое взаимодействие проявляется главным образом в процессах бета-распада атомных ядер многих изотопов, свободных нейтронов и т.д. Переносчиками слабого взаимодействия являются вионы – частицы с массой, примерно в 100 раз большей массы протонов и нейтронов.
В современном естествознании множество материальных систем принято делить на микромир, макромир и мегамир. К микромиру относятся молекулы, атомы и элементарные частицы. Материальные объекты, состоящие из огромного числа атомов и молекул, образуют макромир. Самую крупную систему материальных объектов составляет мегамир – мир планет, звезд, галактик и Вселенной.
Важную роль в развитии естествознания сыграл принцип относительности, впервые сформулированный Г.Галилеем для механического движения: механическое движение относительно и его характер зависит от системы отсчета. Система, в которой выполняется первый закон Ньютона называется инерциальной системой отсчета. Такая система либо покоится, либо движется равномерно и прямолинейно относительно какой-то другой системы, неподвижной или движущейся прямолинейно и с постоянной скоростью, т.е. без ускорения.
Для инерциальных систем отсчета выполняется механический принцип относительности: во всех инерциальных системах отсчета законы классической динамики имеют одинаковую форму.
А. Пуанкаре распространил механический принцип относительности на все электромагнитные процессы, а А.Эйнштейн использовал его для создания специальной теории относительности, принципы которой он сформулировал в 1905 г. В обобщенном виде принцип относительности формулируется так: все инерциальные системы отсчета равноправны между собой (неотличимы друг от друга) в отношении протекания физических процессов или, другими словами, физические процессы не зависят от равномерного и прямолинейного движения системы отсчета.
Специальная теория относительности включает два постулата:
1) принцип относительности: никакие опыты (механические, электрические, оптические), проведенные в данной инерциальной системе отсчета, не дают возможности обнаружить, покоится ли эта система или движется равномерно и прямолинейно; все законы природы инвариантны по отношению к переходу от одной инерциальной системы к другой;
2) принцип инвариантности скорости света: скорость света в вакууме не зависит от скорости движения источников света или наблюдателя и одинакова во всех инерциальных системах отсчета.
В 1916 г. А.Эйнштейн обобщил полученные результаты на системы, движущиеся с ускорением, создав общую теорию относительности. Выяснилось, что не только инерциальные, но и любые системы равноценны, а инерциальные и гравитационные массы эквивалентны. Тяготение неразрывно связано с пространством-временем и правоверно говорить о четырехмерном вещественно-пространственно-временном континууме.
Вместе с принципом относительности в физике утвердились понятия инвариантности, инвариантов, изотропности, симметрии, однородности и их связь с фундаментальными законами сохранения. Инвариантность означает неизменность физических величин или свойств природных объектов при переходе от одной системы отсчета к другой.
Для понимания законов природных явлений и процессов весьма важен принцип инвариантности относительно сдвигов в пространстве и во времени, т.е. параллельных переносов начал координат и отсчета времени. Он формулируется так: смещение во времени и в пространстве не влияет на протекание физических процессов.
Симметрией называется инвариантность структуры, свойств, формы материального объекта относительно его преобразований.
Изотропность пространства означает инвариантность физических законов относительно выбора направления осей координат системы отсчета, т.е. относительно ее поворота в пространстве на любой угол.
Однородность пространства заключается в том, что при параллельном переносе в пространстве замкнутой системы тел как целого ее физические свойства и законы движения не изменяются, т.е. не зависят от выбора положения начала координат инерциальной системы отсчета.
Однородность времени означает инвариантность физических законов относительно выбора начала отсчета времени.
Связь между свойствами пространства – времени и законами сохранения установила немецкий математик Э.Нетер: из однородности пространства следует закон сохранения импульса, из однородности времени – закон сохранения энергии, а из изотропности пространства – закон сохранения момента импульса.
К концу XIX в. была создана последовательная теория, описывающая свойства большой совокупности атомов и молекул – молекулярно-кинетическая теория или статистическая механика. В ее основе лежат три основных положения:
- любое тело – твердое, жидкое или газообразное – состоит из большого числа молекул (атомы можно рассматривать как одноатомные молекулы);
- молекулы всякого вещества находятся в беспорядочном, хаотическом, не имеющем какого-либо преимущественного направления движении (броуновском);
- интенсивность движения молекул, определяемая их скоростью, зависит от температуры вещества.
Из основного уравнения молекулярно-кинетической теории вытекает важный вывод: средняя кинетическая энергия поступательного движения одной молекулы идеального газа прямо пропорциональна его термодинамической температуре и зависит только от нее: E=3/2 kT, где k – постоянная Больцмана, а T – температура.
Из данной формулы следует, что при Т=0 средняя кинетическая энергия равна нулю, т.е. при абсолютном нуле (-273◦ С) прекращается поступательное движение молекул газа, т.е. ниже абсолютного нуля температура падать не может.
Всякая термодинамическая система в любом состоянии обладает внутренней энергией – энергией теплового (поступательного, вращательного и колебательного) движения молекул и потенциальной энергией их взаимодействия. Возможны два способа изменения внутренней энергии термодинамической системы при ее взаимодействии с внешними телами: совершение работы и теплообмен.
Известно, что в процессе превращения энергии действует закон сохранения механической энергии. Поскольку тепловое движение тоже механическое (только не направленное, а хаотическое), то при всех превращениях должен выполняться закон сохранения энергии не только внешних, но и внутренних движений. Данное утверждение составляет основу первого начала термодинамики: количество теплоты ∆Q, сообщенное телу идет на увеличение его внутренней энергии ∆U и на совершение телом работы ∆А, т.е. ∆Q = ∆U + ∆A.
Из первого начала термодинамики следует невозможность создания вечного двигателя первого рода, т.е. такого двигателя, который совершал бы работу “из ничего”, без внешнего источника энергии. При наличии внешнего источника часть энергии неизбежно переходит в энергию теплового, хаотического движения молекул, что и является причиной невозможности полного превращения энергии внешнего источника в полезную работу.
Все тепловые процессы в отличие от механического движения необратимы.
Всякая предоставленная самой себе система стремится перейти в состояние термодинамического равновесия, в котором тела находятся в состоянии покоя по отношению друг к другу, обладая одинаковыми температурой и давлением.
Равенство температур во всех точках есть условие равновесия двух систем или двух частей одной и той же системы.
Это положение называется нулевым началом термодинамики.
Количественной характеристикой теплового состояния системы является термодинамическая вероятность W, равная числу микроскопических способов, с помощью которых это состояние может быть достигнуто. Система, предоставленная самой себе, стремится перейти в состояние с большим значением W. Принято пользоваться не самой вероятностью W, а ее натуральным логарифмом, умноженным на постоянную Больцмана S = k lnW. Эту величину называют энтропией и она является мерой беспорядка в системе.
Второе начало термодинамики, определяющее направление тепловых процессов, формулируется как закон возрастания энтропии: для всех происходящих в замкнутой системе тепловых процессов энтропия системы возрастает; максимально возможное значение энтропии замкнутой системы достигается в тепловом равновесии: ∆S ≥ 0.
При абсолютном нуле температуры энтропия принимает значение, не зависящее от давления, агрегатного состояния и других характеристик вещества. Такое значение можно положить равным нулю.
Это утверждение называется тепловой теоремой или третьим началом термодинамики.
Французский ученый Луи де Бройль, осознавая существующую в природе симметрию и развивая представление о двойственной корпускулярно-волновой природе света, выдвинул в 1923 г. гипотезу об универсальности корпускулярно-волнового дуализма: не только фотоны, но и электроны и любые другие частицы материи наряду с корпускулярными обладают и волновыми свойствами.
Согласно де Бройлю, любой микрообъект можно описать с одной стороны, корпускулярными характеристиками – энергией Е и импульсом р, а с другой – волновыми характеристиками – частотой ν и длиной волны λ: E = h ν; p = h / λ, где h постоянная Планка.
Немецкий физик В.Гейзенберг, учитывая волновые свойства микрочастиц и связанные с этим ограничения в их поведении, пришел в 1927 г. к выводу: любой объект микромира невозможно одновременно с заданной наперед точностью характеризовать и координатой, и импульсом. Он сформулировал принцип неопределенности: микрочастица (микрообъект) не может иметь одновременно определенную координату х и определенный импульс р, причем неопределенности этих величин удовлетворяют условию ∆х ∆р ≥ h.
Поскольку в классической механике принято, что измерение координаты и импульса может быть произведено с заданной точностью, то соотношение неопределенностей является, таким образом, квантовым ограничением применимости классической механики к микрообъектам.
Для описания микрообъектов Н.Бор сформулировал в 1927 г. принцип дополнительности: получение экспериментальной информации об одних физических величинах, описывающих микрообъект, неизбежно связано с потерей информации о некоторых других величинах, дополнительных к первым.
Такими взаимно дополнительными величинами можно считать, например, координату частицы и ее импульс (скорость).
В становлении квантово-механических представлений важную роль сыграл выдвинутый Н.Бором в 1923 г. принцип соответствия: всякая новая более общая теория, являющаяся развитием классической, не отвергает ее полностью, а включает в себя, указывая границы ее применения, причем в определенных предельных случаях новая теория переходит в старую.
Так, формулы кинематики и динамики релятивистской механики (когда объект движется со скоростью близкой к скорости света) переходят при скоростях, много меньших скорости света в вакууме, в формулы механики Ньютона. Волновыми свойствами обладают все тела, однако для макроскопических тел ими можно пренебречь, т.е. для них применима классическая механика Ньютона.
Квантово-механическая концепция, описывающая, казалось бы, загадочный и далекий от обычных представлений микромир, все активнее вторгается в практические сферы человеческой деятельности. Появляется все больше приборов, основанных на квантово-механических принципах – от квантовых генераторов (лазеров, мазеров и др.) до многообразных микроэлектронных устройств. Видимо, пришел черед и вычислительной техники – предполагается, что компьютеры, построенные на квантовых вычислительных элементах, совершат переворот в разработке современных вычислительных средств. Вполне возможно, что через какое-то время квантовый компьютер станет инструментом, столь же привычным, как сегодня обычный компьютер.
Химические концепции