Концепции современного естествознания

Автор работы: Пользователь скрыл имя, 05 Ноября 2009 в 19:49, Не определен

Описание работы

Учебное пособие

Файлы: 1 файл

КСЕ.doc

— 618.50 Кб (Скачать файл)

     Микрочастицы (элементарные частицы) – мельчайшие частицы материи при условии, что они не являются ядрами и атомами (исключение – протоны). Микрочастицы делятся на две группы адроны и лептоны.

                            Барионы (протон, нейтрон, гипероны)

         Мезоны ( - мезоны, К - мезоны, h - мезоны)

     Лептоны – электрон, мюон, t - лептон; электронное, мюонное и t -нейтрино.

     Кроме перечисленных частиц, существуют так  называемые резонансы (барионные и  мезонные). Особняком от этих микрочастиц  стоит фотон – квант электромагнитного  поля. Адроны - наиболее тяжелые частицы - не являются неделимыми. Они состоят  из кварков - пока истинно элементарных частиц. Гипотезу о кварках выдвинули в 1964 г. Гелл-Ман и Цвейг.                 

     Объединение релятивистских и квантовых представлений  привело к одному из наиболее выдающихся предсказаний - открытию античастиц, которые  отличается от частиц электрическим зарядом, магнитным моментом или другими характеристиками. Античастицы могут собираться в антивещество (например, антигелий-3). Однако во Вселенной до сих пор не обнаружены области со сколь-нибудь заметным содержанием антивещества.

     Ядра - центральные, массивные части атома, состоящие из нуклонов. Масса ядра более, чем в тысячу раз больше  массы электронов, входящих в атом. Размеры ядра – 10-14 - 10-15 м. Число нуклонов в 1м3 достигает 1044 , а плотность – 1017  кг/ м3. Ядра могут быть стабильными и нестабильными.

     Атомы и молекулы. Ядра имеют положительный электрический заряд и окружены отрицательно заряженными электронами. Такое электрически нейтральное образование называют атомом. Электроны, находящиеся на верхних орбитах определяют их способность вступать в соединения с другими атомами. Здесь мы вступаем в область химии, и условность границ раздела между физикой и химией в данном случае очевидна.

     Наименьшей  структурной единицей сложного химического  соединения является молекула ( в том числе и одноатомная).Число возможных комбинаций атомов, определяющих число химических соединений, составляет около 106. Некоторые атомы (углерод, водород и др.) способны образовывать сложные молекулярные цепи, являющиеся основой образования макромолекул, проявляющие также и биологические свойства.

     Макротела. При достаточно низких температурах практически все тела   являются твердыми. В них атомы не могут значительно удаляться от своих равновесных положений. Твердые тела имеют различные механические, тепловые, электрические, магнитные, оптические и другие свойства, которые определяются не только характером атомов, но и их взаимным расположением (алмаз и углерод).

     При нагревании твёрдых тел происходит плавление и переход в жидкое состояние. В жидкостях атомы уже не являются строго локализованными, тепловое движение атомов и молекул носит довольно сложный характер.

     При дальнейшем повышении температуры - жидкости превращаются в газообразное состояние. Газы с хорошей точностью  подчиняются статистическим и термодинамическим закономерностям (см. п. 7).

     При вecьмa значительном повышении температуры  среды (до 104 - 105К) происходит ионизация атомов, т.е. распад их на ионы и свободные электроны. Такое состояние вещества называют плазмой. Плазма в противовес газам может проявлять коллективные свойства, что сближает их с конденсированным состоянием, т.е. с твердыми телами и жидкостями.

     Планеты. Следующей ступенью в иерархии объектов природы являются макротела астрономического масштаба - планеты, изучение которых по существу только начинается. Однако, уже ceйчас ясно, что условия в которых находится вещество многих планет, отличаются от  земных (так Юпитер, превосходящий по размерам Землю почти в 10 раз, вероятно, находится в жидком состоянии, исключая центральные области планеты, которые, по-видимому, состоят из металлического водорода). Однако в составе вещества планет не обнаружено никаких новых химических элементов по сравнению с земными.

     Звёзды. Галактики. Вселенная

     Как ни странно, но физики гораздо лучше  представляют себе состояние вещества внутренних областей звёзд, чем планет. Так центральные области Солнца имеют температуру 107 К и давление 1016 Па. В этих условиях вещество полностью ионизировано (плазма) и при этом становятся возможными термоядерные реакции, окончательным итогом которых является слияние ядер водорода и превращение их в ядра гелия. Эта термоядерная реакция служит источником энергии звезд.                   

     По  мере потери энергии звезды уплотняются. Происходит захват электронов протонами  с превращением последних в нейтроны, при этом  одновременно испускаются  нейтрино. В результате такой реакции уменьшается заряд ядра (при неизменной его массе), что, вообще говоря, приводит к уменьшению энергии связи ядра. В конце концов, ядра, содержащие слишком много нейтронов, станут неустойчивыми и распадутся. Вещество звезды будет представлять собой сверхплотный нейтронный газ.

     Галактики — это звездные системы. Число звезд в них ~ 109 - 1012. Если масса звезды порядка 1030 кг (как у нашего Солнца), то масса Галактики ~ 1041 кг. Известная нам часть Вселенной содержит число галактик порядка 1011.

     Оставим в стороне доказательства и способы измерений, которые сделали возможным привести названные здесь числа. Замечательно то, что эти числа нам известны; конечно, некоторые из них являются только приближенными.

     Астрономические данные показывают, что галактики  во Вселенной стремительно «разбегаются»  друг от друга. Расширение Вселенной  позволяет предположить, что когда-то в прошлом она занимала весьма малый объем. Это в свою очередь означает, что «дозвездное вещество» было сверхплотным и чрезвычайно горячим (температура порядка 1013 К). При таких температурах вещество может состоять в основном из излучений — фотонов и нейтрино (более подробно см. п. 11).

     3. Представление о концепциях материи, движения,

     пространства  и времени

     Важнейшая задача естествознания - создание естественно - научной картины мира. Естественно-научная  картина природы образует в целом  упорядоченную систему, которая  по мере развития науки уточняется и пополняется. Научный язык во многом похож на повседневный язык общения людей, но и отличается от него тем, что научные термины являются, во-первых, более общими и абстрактными и, во-вторых, они более сконцентрированы и точны. Наука стремится выявить общее в предметах и явлениях, которые она изучает.

     Выделение общего ведет к абстракциям, т. е. отвлечению от единичного, конкретного, случайного. Наиболее общие и абстрактные  понятия, идеи и концепции естествознания выражают, с одной стороны, глубокие, а с другой - общие свойства природы. Такими понятиями и концепциями оперирует в первую очередь физика как фундаментальная основа естествознания. К наиболее  общим, важным, фундаментальным концепциям физического описания природы относятся материя, движение, пространство и время. Эти понятия широко используются не только в естествознании, но и во многих гуманитарных сферах, например, в искусстве, в экономике, не говоря уже о философии.

     Окружающий  нас мир, всё существующее вокруг нас и обнаруживаемое нами посредством ощущений представляет собой материю. Материя есть философская категория для обозначения объективной реальности, которая отображается нашими ощущениями, существуя независимо от них. В классическом представлении в естествознании различают два вида материи: вещество и поле. В современном представлении к этим двум следует  добавить третий вид материи  - физический вакуум. Некоторые ученые в духе концепции корпускулярно-волнового дуализма объединяют вещество и поле в единый тип реальности, которая действует на наши органы чувств и взаимодействует сама с собой, проявляясь в одних условиях как вещество (физические тела, молекулы, атомы, частицы), а в других - как поле. Однако такое объединение в большей степени касается не макро-, а микромира, многие свойства которого носят квантово-механический характер. Неотъемлемый атрибут материи – движение.

     3.1.Основные  свойства пространства  и времени

     Пространство  и время - категории, обозначающие основные формы существования материи. Пространство выражает порядок существования отдельных объектов, время - порядок смены изменений явлений и объектов.

     Свойства  пространства, свободного от силовых  полей (классическая концепция):

     1.Трёхмерность.                                                             

     2.Плоскостность,  то есть подчинение геометрии Евклида.

     3.Однородность, то есть все точки пространства  равноправны (пространство инвариантно  по отношению к параллельному  переносу)

     4.Изотропность, то есть все направления равноправны  (пространство инвариантно по  отношению к повороту).

     5.Непрерывность  вплоть до 10-18м (затем пространство становится дискретным или зернистым); квант пространства равен 10-35м (предположительно).

     Свойства  времени:

     1.Одномерность.

     2.Однородность, то есть одно и то же событие  развивается одинаково в разные моменты времени.

     3.Анизотропность, то есть для времени характерно  выделенное направление - "стрела времени": все события развиваются от прошлого через настоящее к будущему.

     4.Непрерывность  вплоть до 10-23с; квант времени  равен 10-43с  (предположительно).

     В релятивистской механике (от лат. relativus – относительный), когда скорость движения тела сравнима со скоростью света, выявилась зависимость пространственно - временных характеристик объектов от скорости их движения.

     Частная теория относительности объединила пространство и время в единый континуум: пространство – время. Основанием для такого объединения послужили и постулат о предельной скорости передачи взаимодействий материальных тел - скорости света в вакууме с = 3 × 108 м/с, и принцип относительности. Из данной теории следует относительность одновременности двух событий, происшедших в разных точках пространства, а также относительность измерений длин и интервалов времени, произведенных в разных системах отсчета, равномерно движущихся относительно друг друга. Все это означает, что для  реального мира пространство и время имеют не абсолютный, а относительный характер.

     Общая теория относительности (ОТО) вскрыла  зависимость метрических характеристик пространства времени от распределения гравитационных масс, наличие которых приводит к искривлению пространства - времени, при этом такие категории как конечность и бесконечность также обнаружили свою относительность. 

     3. 2. Принципы относительности и инвариантность. Симметрия

     Установлено, что во всех инерциальных системах отсчета (движущихся без ускорения) законы классической динамики имеют одинаковую форму; в этом сущность механического принципа относительности – принципа относительности Галилея. Он означает, что уравнения динамики при переходе от одной инерциальной системы к другой не изменяются, т. е. инвариантны по отношению к преобразованию координат. Галилей обратил внимание на то, что никакими механическими опытами, проведенными в данной инерциальной системе отсчета, нельзя установить, покоится она или движется равномерно и прямолинейно. Например, сидя в каюте корабля, движущегося равномерно и прямолинейно, мы не можем определить, движется ли корабль, не выглянув в окно.

     Пуанкаре  распространил принцип относительности  на все электромагнитные процессы, а Эйнштейн использовал его для частной теории относительности.

     Вместе  с принципом относительности  в физике утвердились понятия  инвариантности, инвариантов и симметрии, а также связь их с законами сохранения и вообще с законами природы.

     Инвариантность  означает неизменность физических величин или свойств природных объектов при переходе от одной системы отсчета к другой. Из частной теории относительности вытекает  ряд инвариантов для инерциальных систем отсчета: скорость света, масса, электрический заряд, интервал и д.р. Они остаются неизменными относительно преобразований Лоренца, предложенных им в 1904 г., еще до появления теории относительности, как преобразования, относительно которых уравнения Максвелла инвариантны.

     Релятивистский  эффект замедления времени экспериментально подтвержден при исследовании нестабильных, самопроизвольно распадающихся элементарных частиц в опытах с пи-мезонами.

     Частная теория относительности, принципы которой сформулировал в 1905 г. А.Эйнштейн, представляет собой современную физическую теорию пространства и времени, в которой, как и в классической ньютоновской механике, предполагается, что время однородно, а пространство однородно и изотропно. Частную теорию относительности часто называют релятивистской теорией, а специфические явления, описываемые этой теорией, - релятивистским эффектом. В основе частной теории относительности лежат постулаты Эйнштейна:

Информация о работе Концепции современного естествознания