«Концепция современного естествознания»

Вид материала

Документы

Содержание Закон всемирного тяготения И.Ньютона. Универсальный закон сохранения М.Ломоносова. Рождение науки об электричестве. Создание теории электромагнитного поля Максвеллом. Создание теории электромагнитного поля Максвеллом Специальная теория относительности А.Эйнштейна. Создание квантовой механики. Корпускулярно-волновой дуализм. Теория гравитационного поля А.Эйнштейна. Общая теория относительности. Космические модели Вселенной. Третья естественнонаучная революция. Элементарные частицы и силы в природе. Гравитационная сила.

Подобный материал:

• Концепция современного естествознания Глава 1: Предмет естествознания, 397.47kb.
• Н. И. Константинова концепции современного естествознания учебное пособие, 2191.08kb.
• Концепция современного естествознания Пакеты прикладных программ, 22.6kb.
• Концепция современного естествознания Медико-биологические основы физической культуры, 366.1kb.
• Экзаменационные вопросы по дисциплине «концепции современного естествознания» Структура, 33.61kb.
• В. М. Найдыш Концепции современного естествознания, 8133.34kb.
• Концепции Современного Естествознания, 274.86kb.
• Учебно-методический комплекс дисциплины концепции современного естествознания Специальность, 187.08kb.
• Программа курса «Концепции современного естествознания», 168.05kb.
• Концепции современного естествознания, 52.76kb.

Закон всемирного тяготения И.Ньютона.

В рамках классической механики гравитационное взаимодействие описывается законом всемирного тяготения. Этот закон был открыт Ньютоном в 1666 г.. Он гласит, что сила гравитационного притяжения между двумя материальными точками массы m1 и m2, разделёнными расстоянием R, пропорциональна обеим массам и обратно пропорциональна квадрату расстояния между ними — то есть: Здесь G — гравитационная постоянная, равная м³/(кг с²).

Сама идея всеобщей силы тяготения неоднократно высказывалась и до Ньютона. Ранее о ней размышляли Эпикур, Гассенди, Кеплер, Борелли, Декарт, Роберваль, Гюйгенс и другие.[1] Кеплер полагал, что тяготение обратно пропорционально расстоянию до Солнца и распространяется только в плоскости эклиптики; Декарт считал его результатом вихрей в эфире.[2] Были, впрочем, догадки с правильной зависимостью от расстояния; Ньютон в письме к Галлею упоминает как своих предшественников Буллиальда, Рена и Гука[3]. Но до Ньютона никто не сумел ясно и математически доказательно связать закон тяготения (силу, обратно пропорциональную квадрату расстояния) и законы движения планет (законы Кеплера).

В своём основном труде «Математические начала натуральной философии» (1687) Исаак Ньютон вывел закон тяготения, основываясь на эмпирических законах Кеплера, известных к тому времени. Он показал, что:

• наблюдаемые движения планет свидетельствуют о наличии центральной силы;
  
• обратно, центральная сила притяжения приводит к эллиптическим (или гиперболическим) орбитам.
  

Теория Ньютона, в отличие от гипотез предшественников, имела ряд существенных отличий. Ньютон опубликовал не просто предполагаемую формулу закона всемирного тяготения, но фактически предложил целостную математическую модель:

• закон тяготения;
  
• закон движения (второй закон Ньютона);
  
• система методов для математического исследования (математический анализ).
  

В совокупности эта триада достаточна для полного исследования самых сложных движений небесных тел, тем самым создавая основы небесной механики. До Эйнштейна никаких принципиальных поправок к указанной модели не понадобилось, хотя математический аппарат оказалось необходимым значительно развить.

10. Универсальный закон сохранения М.Ломоносова.
    

Выдающимся научным достижением Ломоносова является открытый им закон сохранения материи и движения. Первая формулировка этого всеобщего закона природы содержалась в письме Ломоносова к Л. Эйлеру, датированном 5 июля 1748 г.

«Все встречающиеся в природе изменения происходят так,— писал ученый,—что если к чему-либо нечто прибавилось, то это отнимается у чего-то другого. Так, сколько материи прибавляется какому-либо телу, столько же теряется у другого, сколько часов я затрачиваю на сон, столько же отнимаю от бодрствования, и т. д. Так как это всеобщий закон природы, то он распространяется и на правила движения: тело, которое своим толчком возбуждает другое к движению, столько же теряет от своего движения, сколько сообщает другому, им двинутому».

В дальнейших своих исследованиях Ломоносов неоднократно ссылался на закон сохранения, экспериментально подтверждал его истинность. В многочисленных исследованиях и высказываниях, характеризующих существо процессов движения в их взаимосвязи с материей, Ломоносов значительно опережал выводы современного ему естествознания. В его работах были сделаны первые шаги в раскрытии диалектики природы, которую он пытался рассматривать не как застывшую, окостенелую систему, а в процессе непрерывного развития. «Тела,— писал он,— не могут ни действовать, ни противодействовать взаимно без движения... Природа тел состоит в действии и противодействии... а так как они не могут происходить без движения... то природа тел состоит в движении, и, следовательно, тела определяются движением»24. Однако Ломоносов, как уже говорилось, жил в век механистического материализма. Он понимал движение как простое механическое перемещение тел. В этих условиях не представлялось возможным полностью раскрыть подлинную физическую картину диалектического единства, глубокой неразрывной связи материи и движения. Ломоносову принадлежит не только формулировка всеобщего закона природы, но и осуществление экспериментального подтверждения этого универсального закона. Опытную проверку принципа сохранения вещества наиболее убедительно можно было произвести путем исследования химических процессов. Именно при химических превращениях вещество одного тела частично или полностью переходит в другое тело.

11. Рождение науки об электричестве. Создание теории электромагнитного поля Максвеллом.
    

Рождение науки об электричестве

Девятнадцатое столетие ознаменовалось огромными успехами в исследовании природы электричества и магнетизма. Первоначально электрические явления - искры, молнии, свойства лейденских банок накапливать заряд - считались совершенно не связанными с явлениями магнетизма, наблюдаемыми в минералах некоторых видов, в поведении стрелки компаса и т.д. Однако датский физик Эрстед (1777-1851) и французский физик Ампер (1775-1836) продемонстрировали на опыте, что проводник с электрическим током порождает эффект отклонения магнитной стрелки. Эрстед высказал мысль, что вокруг проводника с током существует магнитное поле, которое является вихревым. Ампер по существу стал творцом новой науки - электродинамики.

Ампер заметил, что магнитные явления происходят тогда, когда по электрической цепи течет ток, причем величина магнитного действия зависит от интенсивности движения электричества, Для измерения этой интенсивности Ампер впервые вводит понятие силы тока, поэтому неслучайно единица силы тока носит его имя - ампер. С помощью своего учения о круговых токах, он сводит магнетизм к электричеству! Это действительно великое открытие. Ампер формулирует до сих пор не известный закон о взаимодействии токов. Более того, он высказывает следующую мысль: “Все явления, которые представляют взаимодействие тока и магнита, открытые Эрстедом, входят как частный случай в законы притяжения электрических токов”.

Работа Ампера над созданием электродинамики продолжалась вплоть до 1826 г., когда вышел в свет его обобщающий труд “Теория электродинамических явлений, выведенная из опытов”. В этой работе Ампером была разработана не только качественная теория, но и количественный закон для силы взаимодействия токов. Это один из основополагающих законов электродинамики.

Эстафета, принятая Ампером от Эрстеда, была передана в руки великого английского естествоиспытателя Майкла Фарадея (1791-1867). Он открыл явление электромагнитной индукции - возникновение тока в проводнике вблизи движущего магнита.

Исследуя диэлектрики, Фарадей приходит к мысли о существенной роли среды в электрических взаимодействиях. Изучая характер магнитных явлений, Фарадей склоняется к мысли, что передача силы представляет собой явление, протекающее вне магнита. Он считает неверным, что эти явления представляют собой простое отталкивание и притяжение на расстоянии, полагая, что пространство, окружающее магнит, играет столь же существенную роль как и сам магнит.


Создание теории электромагнитного поля Максвеллом

Открытия, сделанные Фарадеем в области электромагнетизма, были развиты выдающимся английским математиком и физиком Максвеллом (1831-1879). В его теории электромагнетизма была установлена органическая связь электричества и магнетизма. Основываясь на идеях, высказанных ранее Фарадеем, Максвелл вводит понятие электромагнитного поля.

Согласно теории Максвелла, каждая заряженная частица окружена полем - невидимым ореолом, оказывающим воздействие на другие заряженные частицы, находящиеся поблизости, т.е. поле одной заряженной частицы действует на другие заряженные частицы с некоторой силой. Такие взгляды на природу взаимодействия резко отличались от ньютоновской концепции тяготения, где притяжение считалось силой прямого взаимодействия между разделенными пространством массами. В теории Максвелла движение частицы, помещенной в данную точку пространства, определялось силовой характеристикой - напряженностью поля в этой точке.

Теория электромагнитного поля Максвелла ознаменовала собой начало нового этапа в физике и естествознании. Именно на этом этапе развития физики электромагнитное поле стало реальностью, материальным носителем взаимодействия. Мир постепенно стал представляться электродинамической системой, построенной из электрически заряженных частиц, взаимодействующих посредством электромагнитного поля.

Анализируя свои уравнения, Максвелл пришел к выводу о том, что должны существовать так называемые электромагнитные волны, причем скорость их распространения должна быть равна скорости света. Отсюда был сделан совершенно новый вывод: свет есть разновидность электромагнитных волн.

Предсказанные теорией Максвелла электромагнитные волны действительно были открыты в 1888г. Генрихом Герцем (1857-1894). Он сумел осуществить передачу и прием электромагнитных волн очень большой длины - радиоволн. Сегодня мы имеем дело с целым набором электромагнитных волн, длина которых варьирует от значений очень маленьких, меньше, чем 1/1 000 000 000 000 м до многих километров. Все вместе они составляют электромагнитный спектр. Это и гамма-, и рентгеновские лучи, ультрафиолетовые излучения, видимый свет, инфракрасное, микроволновое и радиоизлучение. Излучения всех этих видов распространяются в вакууме со скоростью света и имеет одну и ту же природу.

Трудно представить какую-либо волну без среды, в которой она могла бы распространяться. Звуковые волны распространяются в различных материальных средах: воздухе, воде, твердом теле. Поверхностные волны движутся по поверхности воды. В какой же среде распространяются электромагнитные волны?

Максвелл возродил старую идею о существовании эфира, заполняющего пространство, который и должен был служить носителем электромагнитных волн. Система отсчета, связанная с неподвижным эфиром, рассматривалась как абсолютный критерий состояния покоя и отождествлялась с абсолютным пространством.

Вскоре были предприняты попытки экспериментального определения скорости Земли относительно эфира, но все они приводили к отрицательному результату. Эфир обнаружить не удавалось. Наиболее известны эксперименты американского физика Майкельсона (1852-1931). Постепенно становилось ясно, что никакой эксперимент не в состоянии выявить факт движения Земли относительно эфира.

12. Специальная теория относительности А.Эйнштейна.
    

Наибольшую известность Эйнштейну принесла теория относительности, изложенная им впервые в 1905 г. в статье «К электро-динамике движущихся тел». Уже в юности Эйнштейн пытался понять, что увидел бы наблюдатель, если бы бросился со скоростью света вдогонку за световой волной. Будучи студентом, Эйнштейн изучал труды Максвелла, был убежден в существовании всепроникающего эфира и размышлял о том, как на него действуют различные поля (в частности, магнитное) и как можно экспериментально обнаружить движение относительно эфира. Теперь Эйнштейн решительно отверг концепцию эфира, что позволило рассматривать принцип равноправия всех инерциальных систем отсчета как универсальный, а не только ограниченный рамками механики. Исходя из невозможности обнаружить абсолютное движение, Эйнштейн сделал вывод о равноправии всех инерциальных систем отсчета. Он сформулировал два важнейших постулата, делавших излишней гипотезу о существовании эфира, которые составили основу обобщенного принципа относительности:

1) все законы физики одинаково применимы в любой инерциальной системе отчета и не должны меняться при преобразованиях Лоренца;

2) свет всегда распространяется в свободном пространстве с одной и той же скоростью, независимо от движения источника.

Эйнштейн выдвинул удивительный и на первый взгляд парадоксальный постулат, что скорость света для всех наблюдателей, как бы они ни двигались, одинакова. Этот постулат (при выполнении некоторых дополнительных условий) приводит к полученным ранее Х. Лоренцем формулам для преобразований координат и времени при переходе из одной инерциальной системы отсчета в другую, движущуюся относительно первой. Но Лоренц рассматривал эти преобразования как вспомогательные, или фиктивные, не имеющие непосредственного отношения к реальному пространству и времени. Эйнштейн понял реальность этих преобразований, в частности, реальность относительности одновременности.

Таким образом, принцип относительности, установленный для механики еще Галилеем, был распространен на электродинамику и другие области физики. Это привело, в частности, к установлению важного универсального соотношения между массой М, энергией Е и импульсом Р: E2 = М2c4 + P2с2 (где с - скорость света), которое можно назвать одной из теоретических предпосылок использования внутриядерной энергии.

13. Создание квантовой механики. Корпускулярно-волновой дуализм.
    

Корпускуля́рно-волново́й дуали́зм — принцип, согласно которому любой объект может проявлять как волновые, так и корпускулярные свойства. Был введён при разработке квантовой механики для интерпретации явлений, наблюдаемых в микромире, с точки зрения классических концепций. Дальнейшим развитием принципа корпускулярно-волнового дуализма стала концепция квантованных полей в квантовой теории поля.

Как классический пример, свет можно трактовать как поток корпускул (фотонов), которые во многих физических эффектах проявляют свойства электромагнитных волн. Свет демонстрирует свойства волны в явлениях дифракции и интерференции при масштабах, сравнимых с длиной световой волны. Например, даже одиночные фотоны, проходящие через двойную щель, создают на экране интерференционную картину, определяемую уравнениями Максвелла.

Тем не менее, эксперимент показывает, что фотон не есть короткий импульс электромагнитного излучения, например, он не может быть разделён на несколько пучков оптическими делителями лучей, что наглядно показал эксперимент, проведённый французскими физиками Гранжье, Роже и Аспэ в 1986 году. Корпускулярные свойства света проявляются при фотоэффекте и в эффекте Комптона. 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).

В настоящий момент концепция корпускулярно-волнового дуализма представляет лишь исторический интерес, так как служила только интерпретацией, способом описать поведение квантовых объектов, подбирая ему аналогии из классической физики. На деле квантовые объекты не являются ни классическими волнами, ни классическими частицами, приобретая свойства первых или вторых лишь в некотором приближении. Методологически более корректной является формулировка квантовой теории через интегралы по траекториям (пропагаторная), свободная от использования классических понятий.

14. Теория гравитационного поля А.Эйнштейна. Общая теория относительности.
    

Гравита́ция (всеми́рное тяготе́ние, тяготе́ние) (от лат. gravitas — «тяжесть») — универсальное фундаментальное взаимодействие между всеми материальными телами. В приближении малых скоростей и слабого гравитационного взаимодействия описывается теорией тяготения Ньютона, в общем случае описывается общей теорией относительности Эйнштейна. Гравитация является самым слабым из четырех типов фундаментальных взаимодействий. В квантовом пределе гравитационное взаимодействие должно описываться квантовой теорией гравитации, которая ещё полностью не разработана.

Теория Эйнштейна — Картана (ЭК) была разработана как расширение ОТО, внутренне включающее в себя описание воздействия на пространство-время кроме энергии-импульса также и спина объектов[5]. В теории ЭК вводится аффинное кручение, а вместо псевдоримановой геометрии для пространства-времени используется геометрия Римана — Картана. В результате от метрической теории переходят к аффинной теории пространства-времени. Результирующие уравнения для описания пространства-времени распадаются на два класса. Один из них аналогичен ОТО, с тем отличием, что в тензор кривизны включены компоненты с аффинным кручением. Второй класс уравнений задаёт связь тензора кручения и тензора спина материи и излучения. Получаемые поправки к ОТО в условиях современной Вселенной настолько малы, что пока не видно даже гипотетических путей для их измерения.

О́бщая тео́рия относи́тельности (ОТО; нем. allgemeine Relativitätstheorie) — геометрическая теория тяготения, развивающая специальную теорию относительности (СТО), опубликованная Альбертом Эйнштейном в 1915—1916 годах. В рамках общей теории относительности, как и в других метрических теориях, постулируется, что гравитационные эффекты обусловлены не силовым взаимодействием тел и полей, находящихся в пространстве-времени, а деформацией самого́ пространства-времени, которая связана, в частности, с присутствием массы-энергии. Общая теория относительности отличается от других метрических теорий тяготения использованием уравнений Эйнштейна для связи кривизны пространства-времени с присутствующей в нём материей.

ОТО в настоящее время — самая успешная теория гравитации, хорошо подтверждённая наблюдениями. Первый успех общей теории относительности состоял в объяснении аномальной прецессии перигелия Меркурия. Затем, в 1919 году, Артур Эддингтон сообщил о наблюдении отклонения света вблизи Солнца в момент полного затмения, что качественно и количественно подтвердило предсказания общей теории относительности. С тех пор многие другие наблюдения и эксперименты подтвердили значительное количество предсказаний теории, включая гравитационное замедление времени, гравитационное красное смещение, задержку сигнала в гравитационном поле и, пока лишь косвенно, гравитационное излучение. Кроме того, многочисленные наблюдения интерпретируются как подтверждения одного из самых таинственных и экзотических предсказаний общей теории относительности — существования чёрных дыр.

Несмотря на ошеломляющий успех общей теории относительности, в научном сообществе существует дискомфорт, связанный, во-первых, с тем, что её не удаётся переформулировать как классический предел квантовой теории, а во-вторых, с тем, что сама теория указывает границы своей применимости, так как предсказывает появление неустранимых физических расходимостей при рассмотрении чёрных дыр и вообще сингулярностей пространства-времени. Для решения этих проблем был предложен ряд альтернативных теорий, некоторые из которых также являются квантовыми. Современные экспериментальные данные, однако, указывают, что любого типа отклонения от ОТО должны быть очень малыми, если они вообще существуют.

15. Космические модели Вселенной. Третья естественнонаучная революция.
    

Третья глобальная естественно-научная революция радикально преобразовала научную картину мира, изменив астрономию, космологию и физику и означала полный отказ от всякого центризма.

Существуют три разные модели Фридмана, для которых выполняется космологический принцип. Все варианты модели Фридмана имеют общее : в какой-то момент времени в прошлом (десять, двадцать миллиардов лет назад) расстояние между соседними галактиками должно было равняться нулю. В этот момент (называемый Большим взрывом) плотность Вселенной и кривизна пространства времени должны быть бесконечными. Поскольку математики не умеют обращаться с бесконечно большими величинами, это означает, что, согласно общей теории относительности во Вселенной должна быть точка, в которой сама эта теория неприменима. Такая точка называется особой или синигумерной. В этой точке наши теории неверны из-за бесконечной плотности материи и бесконечной кривизны пространства времени. Следовательно, если перед Большим взрывом и происходили какие-то события, по ним нельзя было спрогнозировать будущее. Следовательно, те события, которые происходили до Большого взрыва нужно исключить из модели и считать началом отсчета времени момент Большого взрыва.

16. Элементарные частицы и силы в природе.
    

Элемента́рная части́ца — собирательный термин, относящийся к микрообъектам в субъядерном масштабе, которые невозможно расщепить на составные части.

Следует иметь в виду, что некоторые элементарные частицы (электрон, фотон, кварки и т. д) на данный момент считаются бесструктурными и рассматриваются как первичные фундаментальные частицы. Другие элементарные частицы (так называемые составные частицы — протон, нейтрон и т. д.) имеют сложную внутреннюю структуру, но, тем не менее, по современным представлениям, разделить их на части невозможно (см. Конфайнмент).

Строение и поведение элементарных частиц изучается физикой элементарных частиц.

Все элементарные частицы делятся на два класса:

фермионы — частицы с полуцелым спином (например, электрон, протон, нейтрон, нейтрино);

бозоны — частицы с целым спином (например, фотон, глюон, мезоны).

Гравитационная сила. Эти силы носят гравитационный характер. Это означает, что всякая частица находится под действием гравитационной силы, величина которой зависит от массы и энергии частицы. Это очень слабая сила, которую мы вообще не заметили бы, если бы не ее два специфических свойства : гравитационные силы действуют на больших расстояниях и всегда являются силами притяжения.

В квантово – механическом подходе к гравитационному полю считается, что гравитационная сила, действующая между двумя частицами материи, переносится частицей со спином 2, которая называется гравитоном. Гравитон не обладает собственной массой и поэтому переносимая им сила является дальнодействующей. Гравитационное взаимодействие между Солнцем и Землей объясняется тем, что частицы, из которых состоит Земля и Солнце обмениваются гравитонами. Несмотря на то, что в обмене участвуют лишь вертикальные частицы, создаваемый ими эффект безусловно поддается измерению, т.к. этот эффект – вращение Земли вокруг Солнца. Реальные гравитоны распространяются в виде воли, но они очень слабые и их трудно зарегистрировать, это пока никому не удалось.

Следующий этап взаимодействия создается электромагнитными силами, которые действуют между электрически заряженными частицами, но не отвечают за взаимодействие таких незаряженных частиц как гравитоны. Электромагнитные взаимодействия гораздо сильнее гравитационных : электромагнитная сила, действующая между двумя электронами, примерно в 1040 больше гравитационной силы. В отличие от гравитационных сил, которые являются силами притяжения, одинаковые по знаку заряды отталкиваются, разноименно заряженные – притягиваются.