Контрольная работа по концепции современного естествознания

       Открытия  Фарадея и Максвелла явились  самыми значимыми событиями в  физике со времен Ньютона. Однако смелая теория Максвелла не сразу стала  достоянием физики. Решающую роль в  ее утверждении сыграли работы немецкого физика Генриха Герца, который в 1886 г. продемонстрировал «беспроволочное распространение» электромагнитных волн, то есть экспериментально подтвердил теоретически е выводы Максвелла. Герц же один из первых достойно оценил глубокий смысл теории Максвелла. Он писал: «Нельзя изучать эту удивительную теорию, не испытывая по временам такого чувства, будто математические формулы живут собственной жизнью, обладают собственным разумом – кажется, что эти формулы умнее нас, умнее даже самого автора, как будто они дают нам больше, чем в свое время было в них заложено». В результате этих открытий в физике появляется понятие реально существующего качественно нового вида материи в виде непрерывного поля, которое распространяется со скоростью света и является полностью проницаемым.

       В науке того времени утверждается электромагнитная картина мира, в  которой кардинально изменяется взгляд на материю. Наряду с понятием дискретной материи, пределом делимости  которой является атом, появляется понятие континуальной – непрерывной – материи, под которой подразумевается непрерывное бесконечное поле с силовыми точечными центрами – электрическими зарядами. Движение в поле рассматривается как распространение колебаний, которое описывается законами электродинамики. В новой картине мира ньютоновский принцип дальнодействия был заменен на фарадеевский принцип близкодействия, согласно которому взаимодействие рассматривается как передача полем какого-либо действия от точки к точке непрерывно и с конечной скоростью. Но и в этой картине мира не изменилось представление о роли человека во Вселенной.

       Благодаря работам Фарадея, Максвелла и  др. было доказано существование в  мире материи не только в виде тел, но и в виде разнообразных физических полей. Результаты этих работ способствовали развитию современной физики, формированию новых понятий, образующих новую картину действительности.

       Однако  с созданием электромагнитной теории стала очевидна недостаточность  классической механики для описания явлений природы. В рамках этого возник вопрос: выполняется ли принцип относительности и для электромагнитных явлений?¹ 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

_____________________________

¹ Тимофеева С.С., Медведева С.А, Ларионова Е.Ю. «Основы современного естествознания и экологии» - Ростов н/Д: «Феникс», 2004 – с.189.

 Что такое пустота или вакуум? Как менялись взгляды на него?

       Еще 23 века назад Аристотель сказал: «Дело  физика – рассмотреть вопрос о  пустоте, существует она или нет, и в каком виде существует, или  что она такое…». С тех пор  эта проблема не давала покоя ученым, пытавшимся понять устройство Вселенной. Разные ее решения лежали в основе физических концепций Галилея, Декарта, Ньютона, Эйнштейна.

       Древние греки называли пустоту «кенон». Однако впоследствии оно было вытеснено  латинским словом «вакуум» (vacuum). И хотя оно по-прежнему переводится как пустота, сегодня под физическим вакуумом подразумевается совсем не то, что имели в виду древние.

       Понятие вакуум в истории философии и  науки обычно употреблялось для  обозначения пустоты, "пустого" пространства, т.е. "чистой" протяженности, абсолютно противопоставляемой телесным, вещественным образованиям. Последние рассматривались как чистые вкрапления в вакуум. Такой взгляд на природу вакуума был свойственен древнегреческой науке, основоположниками которой являлись Левкипп, Демокрит, Аристотель. Атомы и пустота - две объективные реальности, фигурировавшие в атомистике Демокрита. Пустота так же объективна, как и атомы. Только наличие пустоты делает возможным движение. Эта концепция вакуума получила развитие в работах Эпикура, Лукреция, Бруно, Галилея и др. Наиболее развернутую аргументацию в пользу вакуума дал Локк.

       Концепция вакуума была наиболее полно раскрыта с естественнонаучной стороны в  учении Ньютона об "абсолютном пространстве", понимаемом как пустое вместилище для материальных объектов. Но уже в 17 веке все громче раздаются голоса философов и физиков, отрицающих существование вакуума, так как неразрешимым оказался вопрос о природе взаимодействия между атомами. По Демокриту, атомы взаимодействуют друг с другом только путем непосредственного механического контакта. Но это вело к внутренней противоречивости теории, так как устойчивый характер тел мог быть объяснен только непрерывностью материи, т.е. отрицанием существования пустоты, исходного пункта теории. Попытка Галилея обойти это противоречие, рассматривая малые пустоты внутри тел как связующие силы, не могла привести к успеху в рамках узкомеханистической трактовки взаимодействия. С развитием науки, в дальнейшем эти рамки были сломаны, - был предложен тезис о том, что взаимодействие может передаваться не только механическим путем, но и электрическими, магнитными и гравитационными силами. Однако это не решило проблемы вакуума. Боролись две концепции взаимодействия: "дальнодействия" и "близкодействия". Первая основывалась на возможности бесконечно большой скорости распространения сил через пустоту. Вторая требовала наличия некоторой промежуточной, непрерывной среды. Первая признавала вакуум, вторая его отрицала. Первая метафизически противопоставляла вещество и "пустое" пространство, вносила в науку элементы мистики и иррационализма, вторая же исходила из того, что материя не может действовать там, где ее нет. Опровергая существование вакуума, Декарт писал: "...что касается пустого пространства в том смысле, в каком философы понимают это слово, то есть такого пространства, где нет никакой субстанции, то очевидно, что в мире нет пространства, которое было бы таковым, потому что протяжение пространства как внутреннего места не отличается от протяжения тела".

       Отрицание вакуума в работах Декарта  и Гюйгенса послужило отправной  точкой для создания физической гипотезы эфира, продержавшейся в науке до начала 20-го века. Развитие в конце 19-го века теории о поле и появление  в начале 20-го века теории относительности окончательно "похоронило" теорию "дальнодействия". Была разрушена и теория эфира, так как было отвергнуто существование абсолютной системы отсчета. Но крушение гипотезы существования эфира не означало возврата к прежним представлениям о наличии пустого пространства: сохранились и получили дальнейшее развитие представления о физических полях. Проблема, поставленная еще в античные времена, решена практически современной наукой. Вакуумной пустоты не существует. Наличие "чистой" протяженности, "пустого" пространства противоречит основным положениям естествознания. Пространство не есть особая сущность, обладающая бытием наряду с материей. Как материя не может быть лишена своих пространственных свойств, так и пространство не может быть "пустым", оторванным от материи. Этот вывод находит свое подтверждение и в квантовой теории поля.

       Открытие  У. Лэмбом сдвига уровней атомных электронов и дальнейшие работы в этом направлении привели к пониманию природы вакуума как особого состояния поля. Это состояние характеризуется наименьшей энергией поля, наличием нулевых колебаний поля. Нулевые колебания поля проявляются в виде экспериментально обнаруженных эффектов. Следовательно, вакуум в квантовой электродинамике обладает рядом физических свойств и не может рассматриваться как метафизическая пустота. Более того, свойства вакуума определяют свойства окружающей нас материи, а сам по себе физический вакуум является исходной абстракцией для физики.

       С точки зрения современной физики вакуум представляет собой основное (невозбужденное) состояние поля. Такое состояние характеризуется минимальной энергией и отсутствием каких-либо реальных частиц. Однако это не означает, что вакуум «пустой».

       Одним из главных принципов квантовой  механики является соотношение неопределенностей  между точностью, с которой можно измерить энергию частицы, и временем, затраченным на ее измерение.

       В пустом пространстве тела вообще не могли  бы сдвинуться с места. В пустоте, окружающей тело, нет ни верха, ни низа, в ней все направления равноправны  и нет никакого основания для предпочтения одного из них. Через пустоту не может просочиться никакая информация о том, в какой стороне находится Земля. Как же тогда тело падает на Землю?

       С современной точки зрения тело падает потому, что на него действует гравитационное поле Земли. Однако не означает ли это, что между Землей и телом находится не совсем пустое пространство? Ученые говорят, что гравитационное поле, заполняющее все мировое пространство, есть особый вид материи, который не является веществом. Утверждение о невозможности пустоты находится в полном соответствии, с одной стороны, с опытом доступным во времена Аристотеля (тяжелые тела в воздушной или водной среде, во-первых, падают и, во-вторых, падают неодинаково), а с другой – с логикой (в пустоте движение начаться не может).

       В рамках современной физики, физический вакуум - основное, т.е. энергетически  низшее, квантовое состояние поля, в котором отсутствуют свободные  частицы. При этом отсутствие свободных  частиц не означает отсутствия так  называемых виртуальных частиц (процессы рождения которых в нем постоянно происходят) и полей (это противоречило бы принципу неопределенности). В современной физике сильных взаимодействий основным объектом теоретических и экспериментальных исследований являются вакуумные конденсаты - области уже перестроенного вакуума с ненулевой энергией.¹ 
 
 
 
 
 
 
 

_____________________________

¹Володин В.А. «Энциклопедия для детей. Т. 16. Физика. Ч. 1. Биография физики. Путешествие вглубь материи. Механическая картина мира». – М.: Аванта +, 2001. С. 270. 

  Что выражает первый закон термодинамики?

       Термодинамика возникла как наука о процессах, происходящих в тепловых машинах: паровых  котлах, двигателях внутреннего сгорания и т.д., т.е. как наука о превращении  тепла в механическое движение, в  работу. Объектом ее исследования являются практически любые процессы превращения материи, связанные с выделением или поглощением энергии, совершением работы, переносом вещества и т.д. Термодинамика изучает процессы расширения и сжатия, нагрева и охлаждения, плавления и затвердевания, испарения и конденсации, химические реакции, тепловое излучение и т.д.

       По  отношению ко всем этим процессам  термодинамика отвечает на три главных  вопроса:

1. Возможен ли данный процесс при данных условиях?
2. Если процесс возможен, то в каком направлении он пойдет?
3. Чем процесс закончится? Это окончательное, не зависящее уже от времени состояние термодинамика называет состоянием теплового равновесия.

       На  эти вопросы термодинамика отвечает с помощью трех законов, составляющих ее основное содержание.¹

       Первый  закон термодинамики утверждает, что всякое тело обладает внутренней энергией U, причем внутренняя энергия может уменьшится, если тело совершает работу А, и увеличиться, если ему сообщают теплоту Q.

       ΔU = Q – A

       Соотношение, выражающее первый закон термодинамики, часто записывают в другой форме:

             Q = ΔU + A

       Количество теплоты, полученное системой, идет на изменение ее внутренней энергии и совершение работы над внешними телами.²

       Однако все тепло (или энергия) не может быть потрачено на полезную работу. Часть тепла теряется необратимо. В качестве элементарного примера можно привести работу электрической лампочки, которая сопровождается двумя эффектами – нагреванием и свечением. Та часть энергии, которая переходит в свечение, производит полезную для нас работу, но часть тепла расходуется на нагревание стекла лампы и окружающего пространства, то есть, переходит в хаотическую форму, растрачивается необратно, за счет

нее  невозможно   произвести   полезную   работу.   Путем   точных   экспериментов   было

____________________________

¹ Чуянов В.А. «Энциклопедический словарь юного  физика» - М.: Педагогика, 1984 г. С. 270.

² Тимофеева  С.С., Медведева С.А, Ларионова Е.Ю. «Основы современного естествознания и экологии» - Ростов н/Д: «Феникс», 2004 – с.126.

доказано, что  тепловая энергия превращается в  механическую энергию в строго определенных количествах. Существование такого механического эквивалента - коэффициента для теплоты свидетельствует  о ее сохранении.¹

       Первый  закон термодинамики – это  закон сохранения энергии. Из него, в частности, следует, что если внутренняя энергия тела постоянна ΔU=0 и тело не получает и не отдает тепла Q=0, то оно не может совершать работу: A=0. Таким образом, нельзя получить работу из ничего или превратить ее ни во что. Устройство или машину, получающую работу из ничего называют вечным двигателем первого рода. Первый закон термодинамики отвергает вечный двигатель первого рода. Любая машина может совершать положительную работу A над внешними телами только за счет получения некоторого количества теплоты Q от окружающих тел или уменьшения ΔU своей внутренней энергии.