Физика - основа современного естествознания

ГОУВПО  “МОРДОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ  ИМЕНИ Н.П. ОГАРЕВА” 

Кафедра Экспериментальной физики 
 
 

Реферат на тему

Физика - основа современного естествознания 
 

           Выполнила: Саушкина Ю. 211гр.

                                                                          Проверил: к. ф. м. н. доцент     Сажин Ю.Н. 
 
 
 
 

Саранск 2011

Содержание 

Введение …………………………………………………………….........…….3

1. Квантовая теория
1. Возникновение квантовой физики……………………………..…...4
2. Принцип неопределенности……………………………………..…..7

2. Теория  относительности
1. Возникновение теории относительности……………………………9

2.2 Специальная теория относительности………………………………12

2.3 Общая теория относительности……………………………………...16

Заключение……………………………………………………………………….19

Список используемой литературы……………………………………………...20 
 
 
 
 
 
 
 

Введение

       Физика - основа естественных наук. Высшая задача физики состоит в открытии наиболее общих элементарных законов, из которых можно было бы логически вывести картину мира - так считал А. Эйнштейн.

       Одна из задач физики - выявление самого простого и самого общего в природе. В современном представлении самое простое - так называемые первичные элементы: молекулы, атомы, элементарные частицы, и т.п. Учитывая определяющую роль физики и ее значение в науке, ее называют основой и лидером современного естествознания.

       Структура физики сложна. В нее включаются различные дисциплины или разделы. В зависимости от изучаемых объектов выделяют, физику атомов и молекул, физику газов и жидкостей, физику твердого тела. В зависимости от изучаемых процессов или форм движения материи выделяют механику материальных точек и твердых тел, механику сплошных сред, термодинамику и статистическую механику, квантовую механику и квантовую теорию поля. В зависимости от ориентированности на потребителя получаемого знания выделяют фундаментальную и прикладную физику. Принято выделять также учение о колебаниях и волнах, рассматривающее механические, акустические, электрические и оптические колебания и волны под единым углом зрения. В основе физики лежат фундаментальные физические принципы и теории, которые охватывают все разделы физики и наиболее полно отражают суть физических явлений и процессов действительности.

        Когда говорят о современной физике, обычно имеют в виду две фундаментальные концепции, возникшие в двадцатом веке – квантовую теорию и теорию относительности. 

Возникновение квантовой физики

       Несмотря на блестящие успехи электродинамики Максвелла-Герца, в конце прошлого столетия оставалась неразрешенной еще одна проблема. Речь идет об излучении, испускаемом нагретым теплом, - мы можем наблюдать его, например находясь возле горячей печи или раскаленного куска железа. Не останавливаясь на частностях, связанных со свойствами материалов рассмотрим тепловое излучение абсолютного тела. Под этим термином понимают тело, полностью поглощающее все длины волн падающего на него излучения. Представим себе некоторую полость с маленьким отверстием: при дневном свете она выглядит совершенно черной. Каждый падающий извне световой луч многократно отражается от внутренних стенок полости, частично поглощаясь при этом, так что в конечном итоге от упавшего луча ничего не остается.

       Однако черное  тело обладает также способностью к самостоятельному излучению. Как и любое  другое тело, оно испускает в окружающее пространство непрерывный спектр волн, определяемый температурой тела.   
       Полная энергия излучения черного тела зависит прежде всего от его  
температуры. Однако, не останавливаясь на этом, мы поставим следующий  
вопрос: каким образом при данной температуре распределяется интенсивность излучения черного тела между волнами различной длины? Это можно исследовать с помощью спектрального прибора, который разлагает излучение на отдельные линии. Излучение в каждой узкой области спектра направляют на чувствительный приемник и измеряют его интенсивность. Оказывается, что каждая область длин волн характеризуется определенной интенсивностью, причем для каждой температуры наблюдается свое особое распределение.  
       К этой мысли пришли два английских ученых – Джон В. Рэлей (1842-1919) и Джеймс Джинс (1877-1946). Они рассмотрели ящик кубической формы с «зеркальными» внутренними стенками, в который через отверстие впускается небольшое количество лучистой энергии любой длины волны. Внутри ящика это излучение начинает «метаться», отражаясь то от одной стенки; при этом возникают стоячие электромагнитные волны. С помощью дополнительного «хитрого трюка» подобный мысленный эксперимент можно сделать интересным, если поместить в ящик Джинса кусочек угля, который является абсолютно черным телом и поэтому поглощает падающее на него излучение, а затем, нагреваясь, излучает сам. Излучение этого уголька состоит из волн различной длины; в конце концов устанавливается равновесие между волнами, допустимыми в кубическом ящике, и излучением черного тела, моделируемого кусочком угля. 
     Но когда Рэлей и Джинс вычислили энергию, приходящуюся на определенный интервал частот, они получили неожиданный результат: плотность энергии излучения полости должна возрастать пропорционально квадрату частоты. Но в этом случае заключенная в ящике Джинса энергия должна была бы почти полностью сосредоточиться в коротковолновой части спектра. Тогда любая комнатная печь, которая с физической точки зрения достаточно точно моделируется ящиком Джинса, была бы накопителем смертоносного излучения. Мимолетного взгляда в приоткрытую дверцу печи было бы достаточно, чтобы излишне любознательный отправился бы к праотцам. Разумеется, подобный этому вывод резко противоречит всему жизненному опыту. Он и по сей день носит название «ультрафиолетовой катастрофы» и служит напоминанием о фиаско, которое потерпела наука, признававшаяся всеми физиками того времени совершенно непоколебимой. 
      Но вот положение изменилось, Макс Планк рассматривал внутренние  
стенки излучающей полости как содержащие множество  
крошечных «осцилляторов», которые действуют как источники излучения.  
В отличие, от колеблющегося маятника, который может иметь любые значения энергии, могут обладать лишь энергией, строго равной целому числу квантов. Каждый квант представляет собой элементарный пакет, дающий строго определенный вклад в энергию. 
       Если, согласно закону  Рэлея – Джинса, интенсивность излучения с ростом частоты неограниченно возрастает, то кривая, полученная Планком по достижении максимума, загибается вниз, принимая, колоколообразную форму, точно совпадающую с экспериментальной кривой. Если бы успех новой идеи сводился только к этому, вряд ли стоило бы придавать ей особое значение. Она была бы гипотезой, предложенной для объяснения одного явления. Но гипотеза квантов привела к единственно правильному решению важной проблемы и сразу попала в «горячую точку» дискуссий.  
       Для окончательного решения проблемы необходимо было получить прямое доказательство существования квантов и установить численное значение постоянной Планка другими методами.  
Эйнштейн первым выдвинул верную идею о том, что волновая теория в этом случае «отказывает». Ее следует заменить квантовой теорией. Энергия излучения распространяется не непрерывным потоком, а отдельными дискретными порциями. Подобно каплям града, бомбардируют они атом калия. Если такая частица попадает точно в атом и если она обладает достаточной энергией, то из атома выбивается электрон. Остается даже небольшой избыток энергии, который эмиттированный электрон уносит с собой в виде кинетической энергии. 
      Планк предложил свою гипотезу квантов исключительно для объяснения  
характерного для абсолютного черного тела распределения излучения. Он был достаточно осторожен и не стремился распространить ее на другие явления.[1] 

Принцип неопределенности

       В 1926 г. В.Гейзенберг разрабатывает свой вариант квантовой теории в виде матричной механики, отталкиваясь при этом от принципа соответствия. Столкнувшись с тем, что при переходе от классической точки зрения к квантовой нужно разложить все физические величины и свести их к набору отдельных элементов, соответствующих различным возможным переходам квантового атома, он пришел к тому, чтобы каждую физическую характеристику квантовой системы представлять таблицей чисел. При этом он сознательно руководствовался целью построить феноменологическую концепцию, чтобы исключить из нее все, что невозможно наблюдать непосредственно.

       В этом случае нет никакой необходимости вводить в теорию положение, скорость или траекторию электронов в атоме. В расчеты следует вводить лишь те величины, которые связаны с реально наблюдаемыми стационарными состояниями, переходами между ними и сопровождающими их излучениями. В матрицах элементы были расположены в строки и столбцы, причем каждый из них имел два индекса, один из которых соответствовал номеру столбца, а другой - номеру строки. Диагональные элементы описывают стационарное состояние, а недиагональные - описывают переходы из одного стационарного состояния в другое.

       Величина же этих элементов связывается с величинами, характеризующими излучение при данных переходах. Именно таким способом Гейзенберг строил матричную теорию. И хотя наличие в аппарате его теории матриц, изображающих координаты и импульсы электронов в атомах, оставляет сомнение в полном исключении ненаблюдаемых величин, Гейзенберту удалось создать новую квантовую концепцию, составившую новую ступень в развитии квантовой теории, суть которой состоит в замене физических величин, имеющих место в атомной теории, матрицам - таблицам чисел.

       Результаты, к которым приводили методы, используемые в волновой и матричной механике, оказались одинаковыми, поэтому обе концепции и входят в единую квантовую теорию как эквивалентные. Методы матричной механики, в силу своей большей компактности часто быстрее приводят к нужным результатам. Методы волновой механики, лучше согласуется с образом мышления физиков и их интуицией.

       Гейзенберг сформулировал принцип неопределенности, в соответствии с которым координаты и импульс не могут одновременно принимать точные значения. Для предсказания положения и скорости частицы важно иметь возможность точно измерять ее положение и скорость. Чем точнее измеряется положение частицы, тем менее точными оказываются измерения скорости.

       Хотя световое излучение состоит из волн, однако в соответствии с идеей Планка, свет ведет себя как частица, ибо излучение и поглощение его осуществляется в виде квантов. Принцип неопределенности же свидетельствует о том, что частицы могут вести себя как волны - они как бы "размазаны" в пространстве, поэтому можно говорить не об их точных координатах, а лишь о вероятности их обнаружения в определенном пространстве. Таким образом, квантовая механика фиксирует корпускулярно-волновой дуализм - в одних случаях удобнее частицы считать волнами, в других, наоборот, волны частицами. Между двумя волнами-частицами можно наблюдать явление интерференции. Если гребни одной волны совпадают с впадинами другой волны, то они гасят друг друга, а если гребни и впадины одной волны совпадают с гребнями и впадинами другой волны, то они усиливают друг друга.[7] 

Возникновение теории относительности

       В конце XIX столетия стало ясно, что физика встретилась с серьезными трудностями. К этому времени классическая, ньютоновская динамика находилась на прочном основании: считалось, что эта теория справедлива в любой интерциональной системе отсчета и что все такие системы равноправны. Была также твердо обоснована максвелловская теория электромагнетизма, и физики пришла к выводу, что свет представляет собой электромагнитны волны, правильно описываемые уравнениями Максвелла. Важной составной частью теории распространения электромагнитных волн было понятие эфира. В те годы царило механистическое воззрение на элетромагнитные явления и считалось, что для распространения волн в том числе и световых, нужна среда- в данном случае эфир. Полагали, что уравнения Максвелла справедливы в системе отсчета, покоящейся относительно эфира. В отличие от уравнений Ньютона, которые, как было известно, годились во всех системах отсчета, уравнения Максвелла как будто требовали преимущественной системы отсчета.

       Механическое воззрение на природу электромагнитных явлений приводило ко все новым трудностям. Чтобы объяснить новые экспериментальные факты, физикам приходилось вводить многочисленные произвольные предположения. В конце концов были получены почти все уравнения, которые мы по сей день считаем справедливыми, однако эти результаты никого не удовлетворяли, поскольку их объясняли на базе шатких допущений и неразрывно связывали с неуловимым эфиром.

       Наконец, теория эфира окончательно зашла в тупик, когда три различных эксперимента привели к следующим выводам:

- эфир  увлекается движущейся Землей, так что все лабораторные установки, на которых проводятся эксперименты, всегда покоятся относительно эфира;

- Земля  свободно движется сквозь эфир, который покоится относительно  «неподвижных» звезд;

- движущаяся  материальная среда, в которой распространяется  свет, увлекает за собой эфир, но уже со скоростью, составляющей только половину скорости среды. Натолкнувшись на эти противоречивые результаты, теория эфира в конце концов рухнула.

       В 1905 год у Альберт Эйнштейн (1879-1955) выдвинул новую радикальную идею. Одним смелым ударом он отбросил теорию эфира с ее произвольными предположениями и замени ее только двумя постулатами. На базе этих постулатов Альберт Эйнштейн построил величественную теорию, которая стала образом логического совершенства. Теория относительности Эйнштейна перебросила мост между механикой и электромагнетизмом и связала воедино обе великие теории классической физики.

       Найденное Альбертом  Эйнштейном решение проблемы потребовало отказа от прежних представлений о том, что пространство и время – совершенно различно и не связанные друг с другом понятия. С точки зрения Эйнштейна, мы живем не в трехмерном пространстве, к которому присоединяется понятие времени; напротив – пространственные и временная координаты неразрывно связаны друг с другом и равноправны, образуя четырехмерное пространство- время.

       Тем, кто впервые сталкивается с теорией относительности, ее представления могут показаться несколько странными и искусственными. Однако предсказываемые этой теорией явления становятся заметными лишь при скоростях, близких к скорости света, тогда как наше мышление основывается на повседневном опыте, в котором столь высокие скорости движения никогда не встречаются. Если бы мы жили в мире больших скоростей, то представление теории относительности были бы естественными и легко воспринимались. И все же обязаны следовать принципу: если экспериментальные факты находятся в противоречии с предшествующими воззрениями, то надо менять не факты, а воззрение. В сущности эти воззрения были проявлением того же «здравого смысла», который когда- то поддерживал представление о том, что Земля плоская. [2]

       Теория относительности всегда играла  в современной физике особо важную роль. В  ней  впервые была  показана необходимость периодического  изменения основополагающих  принципов физики. Поэтому  обсуждение тех проблем, которые были подняты   и   отчасти решены  теорией  относительности, существенно необходимо для рассмотрения философских аспектов современной  физики.  В известном  смысле  можно сказать, что создание  теории относительности противоположности квантовой теории потребовало сравнительно  немного