Взаимосвязь материи и пространства

План 

1.Введение.

2.Взаимосвязь материи, пространства и времени в общей теории относительности.

3.Многообразие живых организмов.

     4.Список  используемой литературы. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

Введение.

  У любого человека еще в самом раннем возрасте возникает любопытство – естественное стремление познать окружающий мир. «Любопытство сродно человеку, и просвещенному, и дикому»,– утверждал выдающийся русский историк и писатель Николай Карамзин (1766–1826). С возрастом неосознанное стремление познать окружающий мир постепенно перерастает в осознанную форму любопытства – желание познать законы, которые управляют природой, и способы их применения, позволяющие человеку предвидеть возможные последствия своих действий. Законы о природе и способы их применения – концентрированный опыт человечества, составляющий опору практической деятельности человека, способную защитить его от возможных ошибок и неудач и помочь достичь желаемых целей. Концентрированный опыт человечества – фундаментальная и необходимая основа любого образовательного процесса: человек должен знать, как функционирует сложнейшая система – природа Земли – его единственный дом, которому он обязан своим появлением на свет и частью которого является сам.

Естествознание  – наука о явлениях и законах природы. Современное естествознание включает многие естественнонаучные отрасли: физику, химию, биологию, а также многочисленные смежные отрасли, такие как физическая химия, биофизика, биохимия и многие другие. Естествознание затрагивает широкий спектр вопросов о многочисленных и многосторонних проявлениях свойств объектов природы, которую можно рассматривать как единое целое.

Если излагать подробно весь научный материал, накопленный  в течение длительного периода  времени во всех отраслях естествознания, то получится огромный фолиант, может быть и нужный, но малополезный даже для узких специалистов естественнонаучного профиля, не говоря уже о специалистах гуманитарных направлений. Задача изложения материала естествознания усложняется еще и тем, что его форма должна быть доступной будущим специалистам, для которых естествознание не является дисциплиной, формирующей профессиональные знания.

Для решения  данной задачи нужен обобщающий философский  подход с учетом передовых методов  дидактики, основанных на закономерностях усвоения знаний и приобретения умений и навыков. Сущность такого подхода заключается в изложении естественнонаучного материала на уровне концепций – основополагающих идей и системы взглядов. Концептуальный системный подход полезен не только для понимания развития самого естествознания и изучаемых им явлений и законов природы, но и для знакомства с важнейшими достижениями естествознания, на основе которых успешно развиваются современные наукоемкие технологии, способствующие повышению качества выпускаемой продукции и бережному отношению к природе.

Многие достижения современного естествознания, составляющие базу для наукоемких технологий, связаны  со всесторонним изучением объектов и явлений природы. С привлечением современных технических средств  эксперимента именно такое изучение позволило не только создать сверхпрочные, сверхпроводящие и многие другие материалы с необычными свойствами, но и по-новому взглянуть на биологические процессы, происходящие внутри клетки и даже внутри молекулы. Большинство отраслей современного естествознания, так или иначе, связано с молекулярным исследованием тех или иных объектов, которое объединяет многих естествоиспытателей, занимающихся узкоспециализированными проблемами. Результаты подобного рода исследований – разработка и производство новой высококачественной продукции, и прежде всего товаров повседневного спроса. Для того, чтобы знать, какой ценой дается такая продукция – важнейшая составляющая экономики, каковы перспективы развития современных наукоемких технологий, тесно связанных с экономическими, социальными, политическими и другими проблемами, нужны фундаментальные естественнонаучные знания, в том числе и общее концептуальное представление о молекулярных процессах, на которых основаны важнейшие достижения современного естествознания.

Современные средства естествознания – науки о фундаментальных  законах, природных явлениях и разнообразных  свойствах объектов природы –  позволяют изучать многие сложнейшие процессы на уровне ядер, атомов, молекул, клеток. Плоды постижения истинных знаний о природе именно на таком глубинном уровне известны каждому образованному человеку. Синтетические и композиционные материалы, искусственные ферменты, искусственные кристаллы – все это не только реальные объекты разработок ученых-естествоиспытателей, но и продукты потребления различных отраслей промышленности, производящих в широком ассортименте товары повседневного спроса. В этой связи изучение естественнонаучных проблем на молекулярном уровне в рамках основополагающих идей – концепций – вне всякого сомнения, актуально, полезно и необходимо для будущих специалистов высокой квалификации естественнонаучного и технического профиля, а также для тех, чья профессиональная деятельность не имеет прямого отношения к естествознанию, т. е. для будущих экономистов, специалистов управления, товароведов, юристов, социологов, психологов, журналистов, менеджеров и др.

В последнее  время все чаще говорят не о  химическом взаимодействии веществ  и повышении их химической активности, а об изменении структуры молекулы, о разрыве цепи молекул, о взаимодействии молекулярных пучков, о соединении фрагментов молекул ДНК и т. д. В лексиконе специалистов и научных комментаторов-журналистов все чаще встречаются слова «молекула», «молекулярная структура» и т. п. А это означает, что современный уровень естествознания отражает понимание происходящих в природе явлений, а также процессов, наблюдаемых в лабораториях, с учетом строения и поведения каждой молекулы. Именно благодаря такому пониманию синтезируются ранее не существовавшие в природе вещества с принципиально новыми свойствами, а из них создаются новые машины, устройства, изделия и т.п., выращиваются высококачественные сорта культурных растений, разрабатываются эффективные способы и средства лечения болезней и т. д.

На первый взгляд может показаться, что подобного рода знания совсем не нужны, например, будущему специалисту управления или журналисту. В действительности же без них специалист управления не сможет выбрать перспективное направление своей деятельности, ибо любое дело так или иначе связано с новой материальной базой и новыми технологиями. Следовательно, специалист управления, если он истинный специалист, должен обладать глубокими и всесторонними знаниями. То же самое можно сказать и о журналисте: без глубокого понимания комментируемой проблемы журналист не в состоянии правильно и в популярной форме донести до широкого круга читателей важнейшие естественнонаучные достижения. Не обладая нужными знаниями, журналист может ошибочно сориентировать общественное мнение и спровоцировать необъективное решение, как это случилось, например, при необоснованном объявлении временного моратория на генную инженерию (1975 – 1985 гг.).

Надо сказать, что естественнонаучные знания с  концептуальным представлением о важнейших  достижениях современного естествознания нужны не только будущим экономистам, юристам, менеджерам, предпринимателям и другим высококвалифицированным специалистам, но и любому образованному человеку вне зависимости от рода его деятельности.

Знания сами по себе не приходят. Нужно усердно работать, прилежно учиться, понимая свободу как осознанную необходимость. «Надобно учиться, не стыдясь, а учить, не скупясь», – так сказал в далекие времена известный мыслитель Василий Великий, и только в этом случае можно надеяться на успех. 
 

Взаимосвязь материи, пространства и времени  в общей теории относительности.

В истории  науки известны две концепции  пространства: пространство неизменное как вместилище материи (взгляд Ньютона) и пространство, свойства которого связаны со свойствами тел, находящихся в нем (взгляд Лейбница). В соответствии с теорией относительности любое тело определяет геометрию пространства.

Возникает вопрос, что произойдет, если вместо инерциальных систем взять другие системы  отчета, например, движущиеся с ускорением? Ответ на него дает общая теория относительности, которая называется так потому, что обобщает частный, или специальный, принцип относительности. Эта удивительная теория была создана Эйнштейном в течение десяти лет, последовавших за созданием специальной теории относительности (период с 1905 по 1917 г.). Почему такой фундаментальный принцип, каким является принцип относительности, должен быть применим лишь к инерциальным системам? Не следует ли вслед за отказом от абсолютного времени отказаться от особой роли инерциальных систем отсчета? Из подобных сомнений и выросла в конечном счете общая теория относительности, представляющая собой (по сравнению со специальной теорией относительности) следующий и притом очень существенный шаг вперед в понимании фундаментальных проблем, связанных с пространством и временем. Согласно второму закону Ньютона, сила = инертная масса ускорение, а согласно закону всемирного тяготения, сила = тяжелая масса х напряженность поля тяготения. Таким образом,

Наступление состояния невесомости при свободном падении обусловлено весьма важным физическим фактором, а именно равенством инертной и гравитационной (тяжелой) масс тела. Инертная масса характеризует инертные свойства тела, а гравитационная масса — силу, с которой тела притягиваются по закону Ньютона. Как их связать? Например, ускоренное движение лифта в поле тяготения существует для внешнего наблюдателя, для внутреннего же наблюдателя в лифте имеется покой. Но их соотношение, т. е. поле тяготения, делающее описание в обеих системах координат возможным, основывается на одной очень важной опоре называемой принципом эквивалентности. Принципом эквивалентности называется утверждение о том, что в некоторой системе отсчета тяжелая и инертная масса эквивалентны. Эквивалентность тяжелой и инертной масс означает эквивалентность ускорения и поля тяготения. Таков был путь Эйнштейна к принципу эквивалентности — центральному стержню общей теории относительности.

   В специальной теории относительности  свойства пространства и времени  рассматриваются без учета гравитационных полей. Они не являются инерциальными. По общей теории относительности массы, создающие поле тяготения, искривляют пространство и меняют течение времени. Масса изменяет структуру самого пространства — оно как бы искривляет его, делая кратчайшим расстоянием уже не прямую, а кривую линию. Подчеркнем, что здесь тяготение — не причина кривизны пространства, это и есть сама кривизна. Чем сильнее поле, тем медленнее течет и время по сравнению с течением времени вне поля. Тяготение зависит не только от распределения масс в пространстве, но и от их движения, от давления и натяжения, имеющихся в телах, от электромагнитного и всех других физических полей. Изменения гравитационного поля распределяются в вакууме со скоростью света. В теории Эйнштейна материя, расположение и движение тяготеющих масс влияют на свойства пространства и времени. Кривизна пространства — времени меняется в зависимости от распределения тяжелых масс, от величины их гравитационных полей. Любое поле можно рассматривать как пространство, в различных точках которого тела ведут себя по-разному. В зависимости от происходящих в пространстве физических процессов его можно охарактеризовать различными геометрическими свойствами. Это делается, используя геометрию пространства с различной кривизной.

В течение  продолжительного времени казалось совершенно естественным и логичным описывать свойства пространства с  помощью геометрии, важнейшие элементы которой сформулировал еще в  начале III в до н. э. древнегреческий математик Евклид. В его геометрии, в частности, сумма углов треугольника равна 180°, а на плоскости через каждую точку, которая не находится на заданной прямой, можно провести только одну параллельную ей прямую.

   Однако  плоская геометрия Евклида оказалась  частным случаем сферической геометрии, когда кривизна пространства равна нулю. Возможны случаи пространств с положительной и отрицательной кривизной. Геометрия пространства с положительной кривизной характерна сферической поверхности, на которой кратчайшим расстоянием между двумя точками являются дуги больших кругов, передвигаясь по которым мы вернемся к исходной точке. Такой тип геометрии разработан в 1854 г. немецким математиком Бернгардом Риманом. Здесь сумма углов в треугольнике больше 180°. Геометрия пространства с отрицательной кривизной имеет сферические линии с бесконечной протяженностью. Эта геометрия разработана в 1826 г. Н. Лобачевским. Сумма углов в сферическом треугольнике Лобачевского меньше 180°. Неевклидовы геометрии Лобачевского и Римана позволили связать ряд физических закономерностей с геометрическими свойствами тех или иных областей пространства.

   При переходе к космическим масштабам  геометрия пространства перестает  быть евклидовой и изменяется от одной  области к другой в зависимости  от плотности масс в этих областях и их движения. Вблизи массивных тел пространство характеризуется геометрией Римана. В масштабах Метагалактики геометрия пространства изменяется со временем вследствие расширения Метагалактики. При скоростях, приближающихся к скорости света, при сильном поле пространство приходит в сингулярное состояние, т. е. сжимается в точку. Через это сжатие мегамир приходит во взаимодействие с микромиром и во многом оказывается аналогичным ему. Классическая механика остается справедливой как предельный случай при скоростях, намного меньших скорости света, и массах, намного меньших масс в мегамире.

Одно  из следствий общей теории относительности  состоит в том, что свет, обладая  инертной массой, теряет энергию на преодоление гравитационного притяжения испускающего его тела и что потеря светом энергии означает увеличение длины его волны. Этот эффект называется гравитационным красным смещением. Не следует путать красное смещение, которое вызвано полем тяготения, с космологическим красным смещением, обусловленным расширением Вселенной. Гравитационное красное смещение является прямым следствием замедления течения времени в гравитационных полях. Такое смещение наблюдается в спектральных линиях Солнца и тяжелых звезд, например Сириуса.