Студопедия  
Главная страница | Контакты | Случайная страница

АвтомобилиАстрономияБиологияГеографияДом и садДругие языкиДругоеИнформатика
ИсторияКультураЛитератураЛогикаМатематикаМедицинаМеталлургияМеханика
ОбразованиеОхрана трудаПедагогикаПолитикаПравоПсихологияРелигияРиторика
СоциологияСпортСтроительствоТехнологияТуризмФизикаФилософияФинансы
ХимияЧерчениеЭкологияЭкономикаЭлектроника

ЕСТЕСТВОЗНАНИЯ

Читайте также:
  1. F1:Концепции современного естествознания
  2. Античный период развития естествознания
  3. Дмитриева В.Ф., Михайлов М.А., Икренникова Ю.Б. Учебное пособие по дисциплине «Концепции современного естествознания». – М., МГУТУ, 2004 г.
  4. Дмитриева В.Ф., Михайлов М.А., Икренникова Ю.Б. Учебное пособие по дисциплине «Концепции современного естествознания». – М., МГУТУ, 2006г.
  5. Естествознание в системе научного знания. Предмет, цели и история естествознания
  6. Естествознания и который является создателем классической физики, был великий
  7. История и логика развития естествознания
  8. История постановки вопроса о взаимоотношении естествознания и философии
  9. Ключевые источники естествознания.

Е.Р. Разумова

КОНЦЕПЦИИ СОВРЕМЕННОГО

ЕСТЕСТВОЗНАНИЯ

УЧЕБНО-МЕТОДИЧЕСКОЕ ПОСОБИЕ

Москва

Международная Академия Наук Сан-Марино

Европейский Университет Права Justo

Посвящается

моему первому химику

Анне Григорьевне Ашкинази

Е.Р. Разумова

КОНЦЕПЦИИ СОВРЕМЕННОГО

ЕСТЕСТВОЗНАНИЯ

Учебно-методическое пособие

Москва

Автор-составитель: Разумова Елена Ростиславовна, кан-

дидат химических наук, старший на-

учный сотрудник, профессор

Разумова Е.Р. Концепции современного естествозна-

ния: Учебно-методическое пособие. М.: ЕУП Justo, 2004,

81 с.

Данное учебно-методическое пособие предназначено для студен-

тов всех форм обучения по специальностям и направлениям гумани-

тарного профиля: «Юриспруденция», «Экономика», «Менеджмент».

© Разумова Е.Р., 2004.

© ЕУП Justo, 2004.

ОГЛАВЛЕНИЕ

Введение...................................................................................................... 4

Организационно-методическая часть..................................................... 4

Тематика курса.......................................................................................... 6

Тема 1. Естественнонаучная и гуманитарная культура.

Панорама современной науки, ее история и периоды........ 6

Тема 2. Методы и ступени научных исследований.......................... 10

Тема 3. Классическая механика (макромир).................................... 13

Тема 4. Электромагнетизм. Поля и волны (макромир)................. 16

Тема 5. Закон сохранения энергии в макромире.

Термодинамика. Состояния вещества................................. 19

Тема 6. Концепции квантовой механики. Ядерная физика.

Радиоактивность. Ядерная энергия (микромир).............. 22

Тема 7. Теория относительности А. Эйнштейна (мегамир)........... 29

Тема 8. Строение и эволюция Вселенной (мегамир).

Солнечная система................................................................ 32

Тема 9. Строение материи и структурные уровни

ее организации. Корпускулярная и континуальная

концепции описания природы............................................. 36

Тема 10. Науки о Земле. Геосферные оболочки Земли.................. 38

Тема 11. Химические науки............................................................... 43

Тема 12. Особенности биологического уровня организации

материи................................................................................... 48

Тема 13. Биологическая эволюция и генетика............................... 54

Тема 14. Гипотезы происхождения органической

жизни на Земле...................................................................... 58

Тема 15. Происхождение и эволюция человека.

Психика, мозг, сознание. Гелиобиология. Этнология....... 61

Тема 16. Учение В.И. Вернадского о биосфере. Ноосфера............. 66

Тема 17. Основные понятия и законы экологии.

Глобальный экологический кризис конца ХХ в................. 70

Тема 18. Итоги развития естественных наук в ХХ веке................. 74

Заключение............................................................................................... 76

Рекомендуемая литература по курсу

«Концепции современного естествознания»......................................... 78

Разумова Е.Р.

Введение

Естествознание – это система взаимосвязанных наук о природе.

Именно естествознание явилось основой научно-технической рево-

люции (НТР), определившей лицо ушедшего ХХ века. В свою оче-

редь, три связанных между собой блока наук – естественных, техни-

ческих и гуманитарных – образуют часть культуры человечества,

которую в целом именуют наукой. До недавнего времени было при-

нято традиционно противопоставлять естественнонаучную и гумани-

тарную культуру, их считали антиподами, находили принципиаль-

ные различия. Но природа едина, человек принадлежит и природе,

и обществу, поэтому по мере развития общества становилась все бо-

лее очевидной надуманность такого противопоставления. К концу

ХХ века наметилась противоположная тенденция. Рациональный

естественнонаучный подход все глубже стал проникать в гуманитар-

ную сферу и все в большей степени влиять на общественное созна-

ние. Идея гармоничного синтеза ранее противостоящих друг другу

естественных и гуманитарных наук стала созвучной потребностям

современного общества в целостном едином миропонимании.

Данный курс не является механическим соединением традицион-

ных курсов физики, химии, наук о Земле и биологии, а является по-

пыткой междисциплинарного синтеза на основе общеметодологиче-

ского и эволюционного подходов к изучению естественных наук. В

этом курсе не предусмотрено использование сложных математиче-

ских, физических или химических выкладок и формул; обсуждение

большей части вопросов ограничивается основными понятиями,

идеями и проблемами. При изложении материала автор всегда оста-

навливается на персоналиях, т.е. излагает не только фактические

данные, но также приводит краткий рассказ о творцах науки и их

судьбах. Наконец, в ходе изложения постоянно подчеркивается роль

российских ученых и их вклад в мировую науку.

Организационно-методическая часть

Курс «Концепции современного естествознания» изучается студен-

тами на 1-м курсе во 2-м семестре или на 2-м курсе в 3-м семестре

после освоения курса высшей математики. Изложение рассчитано на

Концепции современного естествознания

выпускника средней общеобразовательной школы, ведется на дос-

тупном для него языке и опирается на минимальные базовые знания

по физике, химии, географии и биологии.

Основные цели и задачи курса:

1. Ознакомление с иерархией природных объектов и систем, с

фундаментальными законами природы.

2. Понимание задач и возможностей естественнонаучных методов

исследования и расширения этих методов в область гуманитарных

наук.

3. Формирование представлений о современной физической кар-

тине мира как основы понимания целостности природы.

4. Осознание места человека на Земле и во Вселенной, взаимосвя-

зи человека с биосферой и Космосом.

5. Понимание современных проблем экологии и соотношения эко-

логии и экономики в их неразрывной связи с основными законами

природы.

6. Понимание необходимости взаимного обогащения естественно-

научной и гуманитарной культур для воспитания гармонично раз-

витого специалиста XXI века.

В результате изучения данного курса студенты должны ЗНАТЬ:

1. Что такое наука, чем она отличается от других областей культу-

ры.

2. В чем отличие естествознания от гуманитарных наук.

3. Какие методы выработало естествознание и как их внедрить в

сферу гуманитарных наук.

4. В чем противоположность научного и религиозного мировоззре-

ния.

5. Каковы формы существования и строения материи.

6. В чем суть глобального экологического кризиса конца ХХ века и

каковы пути выхода из него;

ИМЕТЬ ПРЕДСТАВЛЕНИЕ:

1. О микро-, макро- и мегамирах и описывающих их разделах нау-

ки.

2. О хаосе и порядке в природе, энтропии и синергетике.

3. О строении и эволюции Вселенной.

4. О геологическом строении Земли и происхождении континентов.

5. О роли и месте химических наук в естественнонаучной картине

мира.

Разумова Е.Р.

6. Об особенностях биологического уровня организации материи.

7. О месте человека на Земле и во Вселенной;

УМЕТЬ:

1. Различать научный и псевдонаучный подходы к дискуссионным

научным проблемам (НЛО и внеземные цивилизации, биополе и

возможности человеческой психики).

2. Обосновывать отношение к этическим аспектам научных вопро-

сов (ответственность ученого за судьбу своих открытий: разработка

ядерного оружия, клонирование живых организмов, загрязнение

биосферы).

Тематика курса

Тема 1.

Естественнонаучная и гуманитарная культура.

Панорама современной науки,

ее история и периоды

Наука – часть общечеловеческой культуры. Культура – это все, что

создано человеком (в отличие от природы, существующей независимо

от воли человека). Более узкое определение науки – это особый спо-

соб познания окружающего мира, основанный на эмпирической про-

верке или математическом доказательстве.

Дифференциация наук. Науки подразделяются на естественные,

изучающие законы природы, технические, создающие приборы и ин-

струменты для познания природных явлений и облегчения челове-

ческого бытия, и гуманитарные, изучающие законы существования и

развития человеческого общества. Появилось большое число погра-

ничных научных дисциплин. К концу ХХ в. в мире насчитывалось

около 15 тысяч различных наук и был открыт закон экспоненциаль-

ного развития науки: со временем человеческие знания возрастают

по экспоненте. Внутри каждого раздела науки также идет огромный

поток информации, и, соответственно, должна возрастать доля насе-

ления, занятая научной работой; однако со временем она будет со-

кращаться, поскольку техническую часть обработки научных резуль-

татов возьмет на себя компьютер.

Концепции современного естествознания

В дальнейшем дифференциация наук постепенно сменится на

интеграцию (по существу, этот процесс начался уже в конце ХХ ве-

ка). В этом огромную роль будут играть математика и информатика.

Природа едина, а наука фрагментарна, поэтому ее компьютеризация

со временем будет способствовать созданию единой картины мира:

обрабатывать и систематизировать полученную информацию ком-

пьютер сможет гораздо лучше, чем человеческий мозг. Математика

родилась из необходимости краткого, объективного описания законов

природы и превратилась в своеобразный язык науки, на котором

сначала заговорили естественные и технические, а затем и гумани-

тарные науки.

История науки и ее периоды

Первый период – эмпирический, накопительный – продолжался

все древние и средние века вплоть до XVI в. и считается аристотеле-

вым. Геоцентрическая модель мироздания Аристотеля – Птолемея

(неподвижная Земля в центре Вселенной, вокруг которой по слож-

ным сферическим орбитам вращаются все остальные светила) была

первой попыткой осмыслить и объяснить окружающий мир. Она не

вызывала сомнений вплоть до XVI века, т.е. продержалась 20 веков.

(Аристотель жил в IV в до н.э.). Он был также первым в истории био-

логом; кроме того, им выдвинута идея континуума – непрерывности

мироздания. Живший несколько ранее Демокрит (V в до н. э.) впер-

вые предположил, что вещества состоят из мельчайших неделимых

частиц – атомов. Это была гениальная догадка: никаких приборов и

инструментов еще не было. Творившие далее в эпоху эллинизма Ар-

химед, автор закона о выталкивающей силе, создатель многих меха-

низмов и машин, Евклид с его изумляющей наших современников

геометрией на плоскости, древнегреческий врач Гиппократ – это дет-

ство науки. Эксперимента и теории еще нет, все основано на наблю-

дениях и гениальных озарениях. В средние века ученые, называв-

шие себя алхимиками, искали «философский камень», превращаю-

щий все металлы в золото. Камень, разумеется, не нашли, но нако-

пили огромный экспериментальный материал, позволивший создать

современную неорганическую химию.

Второй период – XVI – XX вв. – связан с именем великого И. Нью-

тона. Начался он с польского астронома Н. Коперника, который на

основании наблюдений опроверг геоцентрическую модель мирозда-

ния Аристотеля – Птолемея и предложил гелиоцентрическую модель

Разумова Е.Р.

Солнечной системы: все известные в то время семь планет вращают-

ся вокруг Солнца. Это была первая революция в физике. Появление

работы Коперника вызвало резкую конфронтацию науки и римско-

католической церкви, принявшей в свое время геоцентрическую мо-

дель язычника Аристотеля. Труд Коперника был запрещен инкви-

зицией. Тем не менее (а может быть и благодаря запрету), его идеи

стали известны в Европе. Доминиканский монах Дж. Бруно полно-

стью согласился с Коперником и выдвинул идею множественности

миров: каждая звезда, как и Солнце – самостоятельный мир и может

иметь свою планетную систему, а Солнце вовсе не центр мирозда-

ния, а рядовая звезда средней величины. Инквизиция жестоко рас-

правилась с Дж. Бруно: в 1600 г. он был сожжен на костре на площа-

ди Цветов в Риме. В тюрьму инквизиции был заключен и итальян-

ский ученый Г. Галилей. У него, так же как у Дж. Бруно, потребова-

ли отречения от своих идей. Галилей не хотел умирать. подписал

отречение, но, как свидетельствует легенда, выйдя из подвалов

тюрьмы, топнул ногой и произнес знаменитую фразу: «А все-таки она

вертится». Галилей сформулировал принцип относительности, кото-

рый через триста лет использовал в своей теории А.Эйнштейн: во

всех инерциальных системах отсчета ВСЕ законы природы одинако-

вы, и если движение тела можно описать в какой-то определенной

системе координат, то его также можно описать в любой другой сис-

теме, движущейся прямолинейно и равномерно относительно пер-

вой. Иными словами, находясь внутри системы, невозможно разли-

чить состояние покоя и прямолинейного равномерного движения.

Немецкий астроном И. Кеплер открыл законы движения планет во-

круг Солнца. Но, несомненно, центральной фигурой второго периода

был великий англичанин И. Ньютон, создавший классическую ме-

ханику, изучавший природу света и предложивший его корпуску-

лярную теорию, а также создавший основы высшей математики. В

этот период происходит интенсивная математизация науки, появля-

ется эксперимент (его впервые использовал Г. Галилей) и множество

теорий. Именно в это время была создана вся классическая наука.

Ньютон осуществил вторую революцию в физике.

Третий период – ХХ век – это век научно-технической революции

(НТР). Естественные и технические науки настолько тесно сплелись,

что существование одного блока стало невозможно без другого. На

рубеже XIX и ХХ веков произошла третья революция в физике, свя-

занная с тем, что классическая физика не могла объяснить ряд экс-

периментальных открытий, сделанных в конце XIX века. Централь-

Концепции современного естествознания

ной фигурой этого периода является А. Эйнштейн. Никогда еще

наука не играла такой важной роли в жизни человечества, никогда

ранее ее достижения не были столь актуальны для его настоящего и

будущего. Выяснилось, что наука принесла человечеству не только

несомненную пользу (выход в Космос, ядерная энергия, полимеры,

победа над многими болезнями), но столь же несомненный вред

(гонку ядерных вооружений, глобальный экологический кризис), хо-

тя в этом отношении ее вину можно рассматривать как косвенную.

Четвертый период – конец ХХ – начало XXI в. условно можно обо-

значить как век информации и биологии. Человечество еще только

входит в этот период. Основоположник информатики, этого любимого

детища современной математики, Н. Винер жил и трудился в ХХ

веке, а центральная фигура четвертого периода, возможно, еще толь-

ко учится ходить и произносить первые слова.

Естествознание – это четыре взаимосвязанных блока наук, изу-

чающих законы природы: физика и примыкающая к ней астроно-

мия, химия, науки о Земле и биология.

Физика исследует физические тела, их состояние и движение, а

также различные поля: гравитационное, электромагнитное и др. Ес-

ли физическое тело находится за пределами Земного шара, его изу-

чает астрономия.

Предметом исследования химии являются вещества, из которых

состоят физические тела, их свойства и превращения друг в друга,

называемые химическими реакциями. Несомненной заслугой химии

в ХХ веке является получение веществ, не созданных природой: но-

вых материалов, лекарственных препаратов и т.д.

Науки о Земле изучают нашу планету, ее геосферные оболочки:

литосферу – твердую оболочку Земли, гидросферу и атмосферу – вод-

ную и воздушную оболочки соответственно. География исследует

поверхность Земного шара, а геология – его недра. Прикладная гео-

логия занята поисками полезных ископаемых.

Четвертый блок – биология и примыкающая к ней медицина – за-

нимаются исследованием всех живых организмов Земли. Медицину

часто называют наукой о человеческих болезнях. Это неверно. Ме-

дицина – это наука о здоровье человека и способах его сохранения.

Разумова Е.Р.

Научное и религиозное мировоззрение

Религия, так же, как и наука, является частью общечеловеческой

культуры. Взаимоотношения науки и религии в разные историче-

ские эпохи были различными. Подчас эти области культуры твори-

лись одними и теми же людьми: в древности самыми образованными

были жрецы, в средние века – монахи. Иногда наступали периоды

острой конфронтации. Самый яркий пример такой конфронтации –

действия римско-католической церкви и ее карательного органа –

инквизиции – против «еретиков», среди которых было немало пред-

ставителей науки. Главное различие научного и религиозного миро-

воззрения в том, что любая научная истина всегда требует доказа-

тельства, тогда как любая религиозная доктрина основана исключи-

тельно на вере.

Таким образом, современная наука, достижения и успехи которой

неоспоримы, имеет богатейшую предысторию и непростую внутрен-

нюю структуру.

Контрольные вопросы по Теме 1:

1. Что такое наука?

2. Какое место в науке занимает естествознание?

3. На какие периоды можно разделить историю науки?

Литература 21, 22, 23.

Тема 2.

Методы и ступени научных исследований

Метод – это способ получения информации. Раздел науки о мето-

дах научных исследований называется методологией.

Центральным методом в науке является анализ – расчленение

сложного объекта на более простые составные части и изучение этих

частей. Анализ настолько глубоко проник во все разделы наук (как

естественных, так и гуманитарных), что философы начали обвинять

науку в чрезмерной аналитичности. Примеры. Антиподом анализа,

а по существу дополняющим его методом является синтез – соедине-

ние составных частей сложного объекта в единое целое. Очень важно

при этом, чтобы отдельные составные части целого не противоречили

друг другу. Примеры. Индукция – построение общего заключения на

Концепции современного естествознания

основе частных посылок и дедукция – получение частного результа-

та на основе общей закономерности – также дополняют друг друга,

как анализ и синтез. Примеры.

Моделирование – один из важнейших методов современной науки.

Модель – это такой материальный или мысленно представляемый

объект, который в процессе исследования замещает оригинал, так

что его непосредственное изучение дает новую информацию об объ-

екте – оригинале. Под моделированием понимают процесс построе-

ния, изучения и применения моделей. Этот процесс обязательно

включает построение абстракций, умозаключений и выдвижение

научных гипотез (см. далее). Главная особенность моделирования

состоит в том, что это метод опосредованного познания с помощью

систем-заместителей. Необходимость его использования определяет-

ся тем, что многие системы исследовать непосредственно или вовсе

невозможно, или такое исследование требует много времени и

средств. Построение модели требует некоторых знаний об оригинале.

Модель должна отражать наиболее существенные его черты. Изуче-

ние одних сторон изучаемой системы осуществляется ценой отказа от

отражения других. Из этого следует, что для одной и той же системы

может быть построено несколько «специализированных» моделей,

концентрирующих внимание на определенных сторонах исследуе-

мой системы. Следующим после построения модели является этап

«модельного» эксперимента, когда фиксируются сведения о поведе-

нии модели. Далее осуществляется перенос знаний с модели на ори-

гинал. Наконец, следует практическая проверка полученной с по-

мощью модели информации. Примеры моделей и моделирования. В

последние годы появился новый раздел науки – математическое мо-

делирование экономических процессов.

Классификация – разделение всех изучаемых объектов на отдель-

ные группы по сходным признакам и изучение этих групп. Больше

всего в классификации нуждаются наименее математизированные

науки (например, очень остро стояла проблема классификации в

биологии, недаром столь заметную роль в ней сыграл великий клас-

сификатор К. Линней).

Абстрагирование – отвлечение от ряда несущественных для дан-

ного исследования свойств и отношений, выделение наиболее суще-

ственных характеристик объекта и обозначение их в виде символа.

Примеры. Наиболее абстрактной из всех наук является математика.

Разумова Е.Р.

Ступени научного исследования

Любое научное исследование начинается с научного факта –

предмета исследования. Затем следует наблюдение, а за ним – экс-

перимент – сознательно поставленный опыт. Первым, как уже было

сказано выше, для доказательства научной истины эксперимент ис-

пользовал Г. Галилей. Эксперимент может быть прямым, т.е. реаль-

ным, и его результаты мы фиксируем органами чувств, которым мо-

гут помогать различные приборы. Другой вид эксперимента – мо-

дельный, и чем точнее модель, тем достовернее результат. Наконец,

эксперимент может быть мысленным; великим мастером этого вида

эксперимента был А. Эйнштейн.

Следующей стадией является обработка и обобщение результатов

экспериментов, и здесь огромную помощь оказывает специальный

раздел математики – математическая статистика. В науке уже давно

произошло своеобразное разделение труда на экспериментаторов и

теоретиков. Первые прекрасно владеют современной аппаратурой и

техникой эксперимента, вторые выдвигают гипотезы и строят тео-

рии. Гипотеза – это научное предположение, подлежащее обязатель-

ной экспериментальной, практической или математической провер-

ке. Примеры неподтвержденных и забытых гипотез. Доказанная и

проверенная гипотеза становится теорией. При построении теорий

особую значимость приобретает упомянутый выше метод абстрагиро-

вания. Конечной целью любого научного исследования является по-

знание законов природы и развития общества. Здесь следует указать

и на еще один существенный момент: в процессе научных исследо-

ваний осуществляется самореализация личности ученого. Писатели,

художники, музыканты остаются жить в своих произведениях, уче-

ные – в результатах своих исследований. В последние десятилетия

наблюдается интенсивная математизация и распространение естест-

венно-научных методов в область гуманитарных наук.

Итак, наука имеет свои специфические подходы к разрешению

проблем, называемые научными методами. Решение любой научной

задачи осуществляется ступенчатым путем, и каждый исследователь

в своей работе должен пройти определенные стадии, без которых не-

возможен путь к успеху.

Контрольные вопросы по Теме 2:

1. Что такое анализ?

2. Что такое эксперимент?

Концепции современного естествознания

3. В чем отличие гипотезы от теории?

Литература: 21, 22.

Тема 3.

Классическая механика (макромир)

Механика – наука о движении физических тел. Первый закон ме-

ханики открыл Г. Галилей, а сформулировал И. Ньютон. Это закон

инерции: без воздействия силы тело находится в состоянии покоя

или прямолинейного равномерного движения, не изменяя скорости.

Такое движение называется движением по инерции. Аристотель,

кстати, считал, что тело может двигаться только под действием

внешней силы. Второй закон механики: под действием силы тела

изменяют скорость и движутся с ускорением, при этом сила равна

произведению массы тела на его ускорение. Работая над вторым за-

коном механики, Ньютон создал дифференциальное исчисление: так

удобнее было в математической форме выразить понятие ускорения

как второй производной от расстояния по времени. Третий закон:

всякому действию можно сопоставить равное по величине, но проти-

воположно направленное противодействие, проще говоря – действие

равно противодействию. Три с лишним века эти законы были незыб-

лемы, они многократно подтверждались экспериментально. Но на

рубеже XIX и ХХ веков выяснилось, что законы классической физики

работают не всегда, а имеют ряд ограничений. Эти ограничения ка-

сались размеров и скорости объектов, а именно: их размеры должны

быть существенно больше размеров атома, а скорости – существенно

меньше скорости света, т.е. объекты должны быть достаточно велики

и двигаться не очень быстро. Мир этих объектов называется МАК-

РОМИРОМ и границы его простираются от молекул до Солнечной

системы.

Четвертый закон Ньютона называется законом Всемирного тяго-

тения и формулируется так: два любых тела во Вселенной притяги-

ваются друг к другу с силой, прямо пропорциональной произведению

их масс и обратно пропорциональной квадрату расстояния между

ними. Эта сила притяжения называется гравитацией. Следует под-

черкнуть, что эта сила всегда положительна, т.е. гравитационного

отталкивания не существует. Незадолго до работ И. Ньютона немец-

кий астроном И. Кеплер сформулировал законы движения планет

Разумова Е.Р.

вокруг Солнца. Ньютон вывел законы Кеплера из закона Всемирно-

го тяготения. Пример с открытием планеты Нептун. И. Ньютон

впервые создал единую механику всех земных и небесных тел. Как

уже было сказано выше, его труды – это вторая революция в естест-

вознании. В одной из своих последних работ И. Ньютон написал: «Я

видел дальше других, потому что стоял на плечах гигантов», отдавая

тем самым дань уважения своим предшественникам, имевшим ме-

нее счастливую научную и человеческую судьбу.

Как уже было сказано ранее, на рубеже XIX и ХХ веков произошла

третья революция в естествознании. Она была связана с тем, что в

конце XIX века в экспериментальной физике был осуществлен ряд

открытий, которые не в состоянии была объяснить классическая фи-

зика. Стало очевидно, что все мироздание не ограничивается макро-

миром, и объяснение вновь открытых экспериментов лежит за его

пределами. Но о МИКРОМИРЕ и МЕГАМИРЕ будет сказано позже,

вернемся пока к макромиру.

Принцип детерминизма Лапласа

На основании законов классической механики И. Ньютона фран-

цузский ученый П. Лаплас вместе с немецким философом И. Кантом

создали механистическую модель Вселенной, в основе которой лежит

принцип детерминизма, т.е. определенности. Суть его состоит в сле-

дующем: если в какой-то точке известны координаты и скорость тела,

то по законам классической механики можно с одинаковой точно-

стью определить координаты и скорость этого тела в любой точке

Вселенной. В таком мире нет места случайности, все четко предо-

пределено, а Вселенную можно представить в виде гигантской за-

водной игрушки.

Понятие парадигмы

Парадигма – это исходное основополагающее утверждение, при-

нимаемое без доказательств, на котором строятся все дальнейшие

рассуждения. В математике парадигмы – это аксиомы. Парадигма

Ньютона касается пространства и времени. Вся классическая меха-

ника Ньютона основана на утверждении, что пространство и время

абсолютны и независимы друг от друга. Следует дать определение

этих параметров. Пространство – это порядок взаимодействия объек-

тов во Вселенной. Ньютоново пространство трехмерно, т.е. любой

объект имеет длину, ширину и высоту. Математическое описание

Концепции современного естествознания

этого пространства дал французский математик Р. Декарт, предло-

живший систему трех взаимно перпендикулярных координат, в ко-

торой можно описать положение любого тела. Время – это порядок

смены явлений. Время одномерно и направлено из прошлого в бу-

дущее. Измеряется время в долях Земного цикла, единицей его из-

мерения является секунда.

Свойства пространства и времени

и законы сохранения в классической механике

Пространство однородно, т.е. его свойства одинаковы во всех точ-

ках. Пространство изотропно, т.е. его свойства не зависят от направ-

ления. Закон сохранения импульса (импульс – это произведение

массы тела на его скорость) связан с однородностью пространства,

поскольку механические свойства замкнутой системы не изменяются

при любом параллельном переносе системы как целого. Закон со-

хранения момента импульса (момент импульса – это произведение

импульса на радиус-вектор, т.е. расстояние до точки или оси враще-

ния) особенно важен для вращательного движения и связан с изо-

тропностью пространства, т.к. механические свойства замкнутой сис-

темы не изменяются при любом повороте системы как целого. Закон

сохранения механической энергии связан с однородностью времени в

силу того, что механические свойства системы не изменяются при

любом переносе системы во времени. Здесь следует коснуться также

понятия симметрии. Это слово имеет греческое происхождение и оз-

начает соразмерность, пропорциональность структуры, свойств, фор-

мы материального объекта относительно точки или оси его преобра-

зований. Симметрия относительно переносов в пространстве (транс-

ляция) связана с однородностью пространства, поворотная симмет-

рия – с изотропностью пространства, а симметрия во времени – это

эквивалентность различных моментов времени (однородность вре-

мени). Симметрия очень широко распространена в живой и неживой

природе (симметрия кристаллов, различных живых организмов, че-

ловеческого тела). Огромную роль симметрия играет в химии: боль-

шинство молекул (в особенности органических) симметрично, что

определяет многие их свойства.

Таким образом, уже к концу XVIII века на основании классической

механики Ньютона была построена логически завершенная механи-

ческая картина мира.

Разумова Е.Р.

Контрольные вопросы по Теме 3:

1. Что такое гравитация?

2. В чем сущность парадигмы Ньютона?

3. Каковы ограничения законов классической механики?

Литература: 21, 22. 23.

Тема 4.

Электромагнетизм.

Поля и волны (макромир)

Электромагнетизм – это раздел физики, изучающий электриче-

ские и магнитные явления. С электричеством люди были знакомы с

древних времен. Еще древние греки знали, что если кусок янтаря

потереть шерстью, то он начинает притягивать легкие предметы.

Слово «электрон» по-гречески означает янтарь. До XVIII в. наука

электричеством не занималась. Первым ученым, начавшим изучать

заряженные тела, был француз Ш. Кулон, открывший основной за-

кон электростатики – науки о неподвижных электрических зарядах

(именно его именем названа единица измерения заряда). Поначалу

электрические явления никак не связывали с магнетизмом (послед-

ний был известен еще древним китайцам, которые изобрели компас).

На рубеже XIII и XIX веков датчанин Х. Эрстед и француз А. Ампер

продемонстрировали на опыте, что проводник с током порождает

эффект отклонения магнитной стрелки. Ампер стал творцом нового

раздела физики – электродинамики, его именем названа единица

измерения силы тока. Эстафету изучения электромагнетизма далее

принял великий английский экспериментатор М. Фарадей, открыв-

ший закон электромагнитной индукции – явления возникновения

электрического тока в проводнике, находящемся в переменном маг-

нитном поле. Именем Фарадея названа единица измерения электро-

емкости. Эрстед, Ампер и Фарадей были великими экспериментато-

рами. Единую теорию электромагнетизма разработал выдающийся

английский физик и математик Дж. Максвелл. Он вывел четыре

уравнения, описывающие электромагнитные явления, записав их в

дифференциальной и интегральной форме, т.е. используя весь аппа-

рат высшей математики. Другим важным открытием Максвелла бы-

ло установление того факта, что свет имеет электромагнитную при-

Концепции современного естествознания

роду. Наконец, Максвелл ввел понятие поля как пространства вне

масс и зарядов, передающего их взаимодействие. Стало ясно, что ма-

терия существует не только в виде вещества, состоящего из частиц,

но и в виде поля (об идее близкодействия будет сказано ниже). Пере-

дается поле с помощью волн. Волну можно определить как передачу

энергии без передачи вещества. Волны бывают продольными (звук)

и поперечными (электромагнитные). Наука о распространении звука

называется акустикой. Звук хорошо передается в воздухе, жидкости

и в твердом веществе (кристалле), но не распространяется в вакууме.

Скорость звука в воздухе составляет примерно 340 м/сек.

Вернемся к понятию поля. Максвелл ввел два вида поля – грави-

тационное, описываемое законом Всемирного тяготения, и электро-

магнитное, описываемое уравнениями Максвелла. Забегая несколь-

ко вперед, следует заметить, что уже в ХХ веке появилось еще два

вида полей (взаимодействий) – сильное и слабое. Частицы, участ-

вующие в сильном взаимодействии, называются адронами, к ним

относятся, в частности, протоны и нейтроны. Одно из проявлений

сильного взаимодействия – ядерные силы, связывающие протоны и

нейтроны в атомных ядрах. Сильные взаимодействия имеют очень

малый радиус действия, равный размеру атомного ядра, и на этих

расстояниях превосходят все другие типы взаимодействий. В слабых

взаимодействиях участвуют элементарные частицы – электроны, по-

зитроны, мюоны и нейтрино. Наиболее распространенный процесс,

обусловленный слабым взаимодействием – бета-распад радиоактив-

ных атомных ядер (подробнее обо всех этих частицах см. в разделе

МИКРОМИР). По интенсивности эти поля располагаются так: самое

интенсивное – сильное поле, затем – электромагнитное (оно пример-

но в 1000 раз менее интенсивно), затем слабое и, наконец, гравита-

ционное. Но природа едина, и поэтому лучшие умы ХХ века – А.

Эйнштейн, наши выдающиеся соотечественники Л.Д. Ландау, П.Л.

Капица, А.Ф. Иоффе, И.Е. Тамм – пытались создать единую теорию

поля. Пока что эти попытки не увенчались успехом, и на сегодняш-

ний день (начало XXI века) единая теория поля еще не создана, а

создана только теория электрослабых взаимодействий.

Рассмотрим несколько подробнее электромагнитное поле. Пред-

сказанные Максвеллом электромагнитные волны, распространяю-

щиеся со скоростью света (3Ч108 м/сек), имеют различную длину и

образуют электромагнитный спектр. Самые коротковолновые – это

гамма- и рентгеновские лучи, затем с возрастанием длины волны

следуют ультрафиолетовое, видимое инфракрасное и микроволновое

Разумова Е.Р.

излучение и, наконец, радиоволны. Впервые экспериментальное до-

казательство существования электромагнитных волн было осуществ-

лено немецким физиком Г. Герцем. Первое практическое примене-

ние электромагнитных волн для связи было осуществлено русским

ученым А.С. Поповым в 1896 г. Однако изобретателем радиосвязи в

мировой науке считают итальянца Г. Маркони: с незапамятных вре-

мен на достижения русской науки закрывают глаза, их просто игно-

рируют.

В какой среде распространяются электромагнитные волны? Мак-

свелл выдвинул идею существования неподвижного эфира, запол-

няющего пространство и имеющего ненулевую плотность. Система

отсчета, связанная с неподвижным эфиром, отождествлялась с абсо-

лютным пространством. Впоследствии А. Майкельсон своим блестя-

щим опытом опроверг существование эфира (об опыте Майкельсона

см. в Теме 8, посвященной теории относительности А. Эйнштейна).

Электромагнитное поле может проявляться в разных формах: это

электрический ток, различные виды излучения, о которых было ска-

зано выше (в их числе и тепловое излучение), а также химические

связи между атомами в молекулах. Наконец, нервные импульсы в

живых организмах – это также специфические слабые электрические

токи, человеческий мозг является источником слабого электромаг-

нитного поля, называемого биополем. Примеры научного и псевдо-

научного подходов к проблеме биополя.

Таким образом, к концу XIX века наука об электромагнетизме бы-

ла закончена как экспериментально (труды Ампера, Эрстеда, Фара-

дея) так и теоретически (работы Максвелла).

Контрольные вопросы по Теме 4:

1. Кто открыл закон электромагнитной индукции и в чем его

суть?

2. Создана ли единая теория поля и если да, то кем?

3. Какие существуют формы электромагнитного поля?

Литература: 17, 18, 21, 22.

Концепции современного естествознания

Тема 5.

Закон сохранения энергии в макромире.

Термодинамика. Состояния вещества

Закон сохранения энергии был открыт нашим великим соотечест-

венником М.В. Ломоносовым. Его формулировка такова: энергия не

возникает и не исчезает, она лишь переходит из одной формы в дру-

гую. Этот закон универсален, он не допускает исключений или от-

клонений.

Термодинамика – раздел физики, изучающий тепловые процессы

– начала бурно развиваться в XVIII веке, когда появились первые

паровые двигатели, и практические цели потребовали теоретическо-

го обоснования новых машин, существенно облегчивших физический

труд человека. Изобретателями парового двигателя являются анг-

личанин Дж. Уатт (он всемирно известен) и русские крепостные отец

и сын Ефим и Мирон Черепановы (о них знают только в России).

Первый закон термодинамики является частным случаем закона

сохранения энергии в применении к тепловым процессам и форму-

лируется так: теплота не возникает из ничего (это одна из многочис-

ленных формулировок первого закона, самая простая). После откры-

тия первого закона термодинамики все европейские Академии Наук

перестали принимать проекты «вечных» двигателей, т.е. таких, кото-

рые работали бы без притока энергии извне. Как и закон сохранения

энергии, первый закон термодинамики является универсальным и

не допускает отклонений.

Прежде, чем перейти ко второму закону термодинамики, следует

рассмотреть понятие температуры. Абсолютная температура – это

физическая величина, характеризующая изолированную макросис-

тему в состоянии равновесия. Понятие макросистемы было дано вы-

ше. Изолированная макросистема – это та, которая не обменивается

с окружающей средой веществом и энергией. Пример изолированной

макросистемы – термос. (Описание опыта). Но этот пример говорит о

том, что изолированные системы являются идеальными, в природе

их не существует. Однако для теоретического описания тепловых

процессов изолированные системы оказались очень удобными. Со-

стояние равновесия – это то состояние, когда все части макросистемы

характеризуются одинаковыми параметрами, например, температу-

рой и давлением. В равновесное состояние изолированная макросис-

тема приходит через достаточно большой промежуток времени. Аб-

Разумова Е.Р.

солютная температура обозначается заглавной латинской буквой Т и

имеет только положительные значения. Именно эта температура

входит во все термодинамические формулы. Единицей измерения

абсолютной температуры является кельвин (К), названный именем

английского ученого лорда Кельвина (он же У. Томсон). В повсе-

дневной жизни используется более удобная температурная шкала

Цельсия. Нулю градусов по Цельсию соответствует 273К. Весьма

важно, что один К равен одному градусу Цельсия. Температура в

шкале Цельсия обозначается малой латинской буквой t (C).

Второй закон термодинамики звучит так: маловероятен самопро-

извольный переход тепла от холодного тела к горячему. Законы тер-

модинамики сформулировал немецкий физик Р. Клаузиус. На осно-

вании второго закона термодинамики он предложил гипотезу тепло-

вой смерти Вселенной: со временем все виды энергии перейдут в те-

пловую, тепло равномерно рассеется по Вселенной, после чего в ней

прекратятся все процессы, поскольку они идут за счет разности тем-

ператур. Опроверг теорию тепловой смерти Вселенной австрийский

физик Л. Больцман, который доказал, что в отличие от первого, вто-

рой закон термодинамики не универсален, а носит статистический

характер. Статистические законы, в отличие от универсальных, вы-

полняются не всегда, а в большинстве случаев и допускают случай-

ные отклонения, называемые флуктуациями. Флуктуации – явления

чрезвычайно редкие, например, в одном случае из тысячи теплота

может перейти от холодного тела к горячему, это не запрещено зако-

ном природы, а всего лишь очень маловероятное событие. Примеры

других флуктуаций. Статистические законы описываются с помощью

специального раздела математики – теории вероятностей. Примеры

вероятностных событий.

Клаузиус также ввел очень важное для термодинамики понятие

энтропии (S) – фунции состояния термодинамической системы, из-

менение которой dS равно отношению количества теплоты, сообщен-

ного системе, dQ, к абсолютной температуре Т. Согласно второму за-

кону термодинамики, в изолированной системе энтропия всегда

должна возрастать, поскольку система стремится к равновесию. С

точки зрения статистической термодинамики энтропия – это мера

неупорядоченности системы. Отсюда следует, что любая изолиро-

ванная система самопроизвольно стремится к беспорядку, т.е. к хао-

су. Примеры. Понятия Космоса и Хаоса у древних греков.

Концепции современного естествознания

Понятие о синергетике

Синергетика – это наука об открытых неравновесных системах, ро-

дившаяся в середине ХХ века. Ее основоположниками являются

бельгийский ученый (русского происхождения) лауреат Нобелевской

премии И.Р. Пригожин, англичанка И. Стэнгерс и немецкий мате-

матик Э. Хакен. Такие системы стремятся к самоорганизации, т.е. к

возникновению порядка из беспорядка. В открытых неравновесных

системах происходит накопление флуктуаций, что делает систему

неустойчивой. Максимально неустойчивое состояние называется

точкой бифуркации. Пройдя точку бифуркации, система или разру-

шается или переходит на новый уровень. Примеры самоорганизации

из химии (реакции Белоусова-Жаботинского), биологии (видообразо-

вание), космологии (спиральные галактики), экологии (организация

сообществ), социологии (смена общественно-экономических форма-

ций).

Состояния вещества

Как было установлено еще в XIX веке, все вещества состоят из мо-

лекул. Молекулы находятся в непрерывном движении. Агрегатное

состояние вещества определяется соотношением между потенциаль-

ной энергией притяжения молекул и средней кинетической энергией

их теплового движения, которая пропорциональна абсолютной тем-

пературе Т.

Газообразное состояние вещества определяется тем, что кинетиче-

ская энергия теплового движения молекул существенно выше по-

тенциальной энергии притяжения молекул. Газ не имеет структуры,

легко сжимается, поскольку расстояния между молекулами значи-

тельно больше их размеров, занимает весь объем сосуда, в который

помещен, а столкновения вежду молекулами идеально упругие. Для

газообразного состояния характерна максимальная энтропия.

В жидком состоянии потенциальная энергия притяжения молекул

немного больше их кинетической тепловой энергии. Жидкости труд-

но сжимаются и принимают форму сосуда, в котором находятся.

Слои молекул сдвигаются относительно друг друга, что обуславлива-

ет текучесть жидкостей. Для них характерна изотропия (одинако-

вость) свойств во всех направлениях.

В твердом состоянии потенциальная энергия связи атомов в моле-

кулах намного больше кинетической энергии теплового движения.

Атомы (или молекулы) в твердом веществе фиксированы и испыты-

Разумова Е.Р.

вают только колебания около положения равновесия. Для твердых

кристаллических веществ характерна периодически повторяющаяся

структура – кристаллическая решетка. Кристаллы – это вершина

упорядоченности (в неживой природе), энтропия в них минимальна.

Переходы вещества из одного состояния в другое называются фазо-

выми переходами.

Плазма – это состояние ионизированного газа, в котором концен-

трации положительных и отрицательных зарядов равны. В состоя-

нии плазмы находится подавляющая часть вещества Вселенной:

звезды, галактики, межгалактическое пространство. Около Земли

плазма существует в виде солнечного ветра, магнитосферы и ионо-

сферы. Высокотемпературная плазма (миллионы К) из смеси дейте-

рия и трития используется при исследовании термоядерного синтеза.

Низкотемпературная плазма применяется в различных газоразряд-

ных приборах (например, плазма при комнатной температуре –

лампа дневного света).

Таким образом, классическая термодинамика, описывающая изо-

лированные равновесные системы, была завершена к концу XIX ве-

ка, а в середине ХХ века родилась новая наука – синергетика, опи-

сывающая открытые неравновесные системы.

Контрольные вопросы по Теме 5:

1. Что такое температура?

2. Почему невозможна тепловая смерть Вселенной?

3. Что такое энтропия?

Литература: 19, 20, 21, 22.

Тема 6.

Концепции квантовой механики.

Ядерная физика. Радиоактивность.

Ядерная энергия (микромир)

Как уже было сказано выше, на рубеже XIX и ХХ веков началась

третья революция в физике, и связана она была с тем, что классиче-

ская физика не могла объяснить ряд открытий, сделанных в конце

XIX века. Это были прежде всего открытые немецким физиком К.

Рентгеном неизвестные лучи (Рентген так и назвал их – Х-лучи), а

также обнаруженное французским физиком А. Беккерелем явление

Концепции современного естествознания

радиоактивности. Беккерель работал с солями урана и заметил, что

они, как и Х-лучи, зачерняют фотопластинку.

Исследования Беккереля были продолжены французскими уче-

ными супругами П. и М. Кюри, нашедшими в урановой руде, из ко-

торой они получали чистый уран, два новых химических элемента.

Первый супруги назвали радием, что по-латыни означает «лучи-

стый» (его излучение было действительно гораздо интенсивнее излу-

чения урана), а второй Мария Кюри, урожденная Склодовская, на-

звала в честь своей родины Польши полонием.

За эти открытия А. Беккерель и супруги П. и М. Кюри были удо-

стоены Нобелевской премии.

В 1900 г. немецкий физик М. Планк, работая над проблемой излу-

чения абсолютно черного тела, пришел к выводу, что энергия излу-

чается и поглощается не непрерывно, а отдельными порциями. Та-

кую порцию энергии он назвал квантом. Одновременно Планк вывел

формулу, связывающую энергию (Е) с частотой излучения или по-

глощения (н) и вычислил коэффициент пропорциональности, впо-

следствии названный константой Планка (h): Е=hн. Заметим, что

классическая физика вообще не могла объяснить природу излучения

и его взаимодействия с веществом. За свои пионерские работы М.

Планк был удостоен Нобелевской премии.

Итак, в начале ХХ века физикам стало ясно, что, что атом не явля-

ется неделимой частицей, кирпичиком мироздания. Возникла про-

блема внутреннего строения атома, появилось несколько моделей.

Первая принадлежала У. Томсону (он же лорд Кельвин). Атом был

представлен в виде шарика, внутри которого равномерно распреде-

лены положительные и отрицательные заряды. Модель просущест-

вовала недолго: величайший экспериментатор ХХ века Э. Резер-

форд, впоследствии лауреат Нобелевской премии, отец ядерной фи-

зики, опытным путем выяснил, что вся масса атома сосредоточена в

его центре, который заряжен положительно, он назвал этот центр

ядром; окружение ядра заряжено отрицательно. На основе этих экс-

периментальных данных Резерфорд предложил «планетарную» мо-

дель строения атома: подобно тому, как планеты вращаются вокруг

Солнца, вокруг положительно заряженного ядра вращаются отрица-

тельно заряженные электроны. Модель была красива и эффектна, но

она противоречила законам классической физики, согласно которым

электроны должны были упасть на ядро.

Автор третьей модели датский физик Нильс Бор (лауреат Нобе-

левской премии, которого справедливо считают отцом квантовой ме-

Разумова Е.Р.

ханики) принял за основу модель Резерфорда, но при этом осущест-

вил дерзкую смену парадигм. Он выдвинул постулаты, в основе ко-

торых лежало смелое утверждение: в МИКРОМИРЕ, т.е. в мире объ-

ектов, меньших или равных по размерам атому, не действуют законы

классической физики. Согласно первому постулату, когда электрон

находится на постоянной, стационарной орбитали (так Резерфорд

назвал траекторию движения электрона), атом не излучает и не по-

глощает энергию. Излучение или поглощение энергии осуществля-

ются при резких перескоках электрона с одной орбитали на другую

(это второй постулат). По существу, постулаты Бора являются пара-

дигмами квантовой механики – раздела физики, изучающего внут-

реннее строение атома. Квантовая механика и ядерная физика, о

которой будет сказано далее, описывают МИКРОМИР. Боровская

модель атома была экспериментально подтверждена линейчатыми

атомными спектрами, лежащими в основе мощного современного

аналитического метода – спектрального анализа. Именно этим мето-

дом сначала на Солнце, а затем и в составе Земной атмосферы был

открыт химический элемент гелий. Линейчатые атомные спектры

получают при сжигании вещества и фотографировании пламени:

оказалось, что каждый химический элемент дает индивидуальную,

специфическую картинку, напоминающую штрих-код, причем каж-

дая линия соответствует частоте перескока электрона с одной орби-

тали на другую, что и подтверждало модель Бора.

Основные принципы квантовой механики

Следующей ступенью изучения микромира было открытие фран-

цузским физиком Луи де Бройлем, лауреатом Нобелевской премии,

принципа корпускулярно-волнового дуализма. Корпускула – латин-

ское название любой частицы, дуализм – это двойственность. Следо-

вательно, корпускулярно-волновой дуализм – это двойственность

волны и частицы. Следует заметить, что за 20 лет до этого мало кому

известный служащий патентного бюро в г. Берне А. Эйнштейн полу-

чил свою первую Нобелевскую премию за объяснение фотоэффекта,

открытого русским физиком А.Г. Столетовым – явления выбивания

электронов с поверхности металла пучком света. Еще в XIX веке Дж.

Максвелл предсказал, что свет – это электромагнитная волна. Но

согласно классической физике, волна не может выбивать электроны,

она может только отразиться от поверхности металла. А. Эйнштейн

предположил, что свет является не только электромагнитной волной,

Концепции современного естествознания

но и потоком частиц, которые Эйнштейн назвал фотонами. Л. де

Бройль распространил этот принцип на все частицы и волны, а

именно: любую волну можно представить как поток частиц, и соот-

ветственно любому потоку частиц можно сопоставить волну.

Принцип Л. де Бройля был экспериментально подтвержден от-

крытым вскоре явлением дифракции электронов. К тому времени

(конец 20-х годов ХХ века) уже было точно установлено, что электрон

является частицей, и У. Томсон измерил его массу и заряд. Эффект

дифракции характерен только для волн – это явление огибания вол-

ной препятствий. Таким образом, при определенных условиях элек-

трон может вести себя как частица, тогда как при других условиях

проявлять свойства волны.

Принцип дополнительности Н. Бора: получение эксперименталь-

ной информации об одних физических величинах, описывающих

микрообъект, ведет к неизбежной потере информации о других ве-

личинах, дополнительных к первым. Такими взаимно дополнитель-

ными величинами являются, например, координата микрочастицы и

ее импульс, энергия частицы и соответствующий момент времени.

Следуя Бору, с физической точки зрения принцип дополнительности

объясняют влиянием физического прибора, являющегося макрообъ-

ектом, на состояние микрообъекта. Фундаментальным принципом

квантовой механики является также принцип неопределенности,

открытый немецким физиком В. Гайзенбергом, лауреатом Нобелев-

ской премии: любая физическая система не может находиться в со-

стояниях, в которых ее координаты и импульс одновременно прини-

мают вполне определенные, точные значения.

Двойственность волны и частицы математически выражена в виде

волновой функции (. - функция), предложенной австрийским физи-

ком Э. Шредингером, лауреатом Нобелевской премии, при выведе-

нии им основного уравнения квантовой механики. Квадрат волновой

функции равен вероятности нахождения микрочастицы в данной

точке.

Заметим, что на микроскопическом уровне нельзя точно предска-

зать результат эксперимента, а можно лишь рассчитать вероятность

различных результатов опыта, т.е. в микромире все явления носят

вероятностный характер, тогда как макромир построен на принципе

лапласовского детерминизма.

Таким образом, к концу 30-х годов ХХ века здание квантовой ме-

ханики было построено. Потребовалось на это менее 30 лет. Следую-

щим этапом познания микромира было создание ядерной физики,

Разумова Е.Р.

т.е. установление внутренней структуры атомного ядра. Как уже бы-

ло сказано выше, отцом ядерной физики был Э. Резерфорд, открыв-

ший внутри атомного ядра положительно заряженные частицы –

протоны. В 1932 г. английский физик Дж. Чедвиг, впоследствии

лауреат Нобелевской премии, открыл в атомном ядре незаряженные

частицы, масса которых была почти равна массе протона, и назвал

их нейтронами. Немного раньше, в 1928 г. выдающийся английский

физик-теоретик П. Дирак, впоследствии лауреат Нобелевской пре-

мии, предсказал существование положительно заряженного антипо-

да электрона. Вскоре эта частица была экспериментально обнаруже-

на и названа позитроном. Это была первая из многочисленных от-

крытых далее элементарных частиц. К середине ХХ века их было

открыто уже более трехсот. Название «элементарные частицы» гово-

рило о том, что их считали пределом деления. Казалось, что мельче

уже ничего не существует. Однако в 1964 г. американским физиком

М. Гелл-Маном было высказано предположение о существовании

частиц, несущих дробный заряд, меньший заряда электрона. Их на-

звали кварками. Кварки – гипотетические частицы, из которых, как

предполагается, могут состоять все элементарные частицы, участ-

вующие в сильных взаимодействиях (адроны), прежде всего, прото-

ны и нейтроны. Различают шесть видов (или, как их называют фи-

зики, шесть «ароматов») кварков.

Таким образом, на сегодняшний момент (начало XXI века) именно

кварки являются мельчайшими «кирпичиками» мироздания.

Вернемся к явлению радиоактивности, с которого мы начали эту

главу. Радиоактивность, открытая А. Беккерелем, – это способность

ядер атомов тяжелых химических элементов (начиная с 84 номера

таблицы Д.И. Менделеева, т.е. с полония) к распаду с выделением

энергии и образованием ядер других химических элементов. Э. Ре-

зерфорд экспериментально доказал, что излучение, испускаемое ра-

диоактивными элементами, неоднородно: одна группа лучей откло-

нялась к отрицательно заряженному полюсу магнита (их Резерфорд

назвал альфа-лучами, очень скоро было установлено, что это поток

положительно заряженных ядер атомов гелия). Другая часть лучей

отклонялась к положительно заряженной пластине (бета-лучи, ока-

завшиеся потоком электронов). Превращения элементов, сопровож-

дающиеся испусканием альфа- и бета-лучей, были названы соответ-

ственно альфа- и бета-распадом. Лучи, не отклоняющиеся в магнит-

ном поле, Резерфорд назвал гамма-лучами, они оказались самым

высокоэнергетическим (и коротковолновым) видом из всех известных

Концепции современного естествознания

в природе разновидностей электромагнитного излучения. В 1940 г.

советские ученые Г.Н. Флеров и К.А. Петржак обнаружили спонтан-

ное деление ядер, сопровождающееся испусканием гамма-излучения

и не приводящее к превращению элементов. Оно характерно только

для самых тяжелых ядер, начиная с тория. Все сказанное выше от-

носится к естественной радиоактивности.

В 1934 г. французские ученые супруги Ирен и Фредерик Жолио –

Кюри (будущие лауреаты Нобелевской премии, дочь и зять М. и П.

Кюри) открыли искусственную радиоактивность, которая позволила

получать новые химические элементы, которые в природе отсутству-

ют. Все химические элементы, стоящие в таблице Д.И. Менделеева

после урана, получены методом искусственной радиоактивности, т.е.

путем бомбардировки известных химических элементов альфа-

частицами или нейтронами.

Цепные ядерные реакции

Эти реакции были открыты в 1939 г. итальянским ученым Э. Фер-

ми, бежавшим в США от итальянского фашизма. Выяснилось, что

при попадании в ядро одного нейтрона оно делится на две или три

части и при этом выделяется огромная энергия. При делении ядер

урана-235, кроме осколков, вылетают два–три свободных нейтрона,

которые при благоприятных условиях могут попасть на другие ядра

урана и вызвать их деление.

Незадолго до смерти великий экспериментатор Э. Резерфорд на-

писал в одной из статей: «Вряд ли когда-либо работы по ядерной фи-

зике смогут найти практическое применение». Даже гении иногда

ошибаются. Через несколько лет, в 1942 г. заработал первый, постро-

енный Э. Ферми в США, ядерный реактор. Это была основа для бу-

дущих атомных электростанций, атомных ледоколов и подводных

лодок. Но работы по ядерной физике принесли человечеству не

только пользу. Полным ходом сначала в США и Германии, а затем в

Советском Союзе начались разработки, связанные с ядерным оружи-

ем. В США эти работы возглавил бежавший из фашистской Герма-

нии Р. Оппенгеймер, в СССР – И.В. Курчатов. Есть сведения о том,

что немецкие ученые, оставшиеся в фашистской Германии, во главе

с В. Гайзенбергом саботировали создание ядерного оружия в Герма-

нии, направив технические разработки по тупиковому пути. В 1945

США сбросили ядерные бомбы над городами Хиросимой и Нагасаки.

По существу, это было первое испытание ядерного оружия, никакой

Разумова Е.Р.

стратегической необходимости в этих бомбардировках не было. Вско-

ре (в 1949 г.) ядерная бомба появилась в СССР, в 1953 г. в нашей

стране была создана и испытана первая термоядерная бомба. Мир




Дата добавления: 2015-01-12; просмотров: 27 | Поможем написать вашу работу | Нарушение авторских прав

<== предыдущая лекция | следующая лекция ==>
Кружок по математике| История становления естественнонаучных картин мира.

lektsii.net - Лекции.Нет - 2014-2024 год. (0.222 сек.) Все материалы представленные на сайте исключительно с целью ознакомления читателями и не преследуют коммерческих целей или нарушение авторских прав