Читайте также:
|
От ранних цивилизаций, возникших на берегах Тигра, Евфрата и Нила (Вавилон, Ассирия, Египет), не осталось никаких свидетельств о достижениях в области физических знаний, за исключением знания овеществленного в архитектурных сооружениях и бытовых изделиях. Возводя различного рода сооружения, изготавливая предметы быта и оружие, люди использовали определенные результаты многочисленных физических наблюдений, технических опытов, их обобщений. Можно сказать, что существовали определенные эмпирические физические знания, но не было системы физических знаний. Физические представления в Древнем Китае появились на основе различных форм технической деятельности, в процессе которых вырабатывались разнообразные технологические рецепты. Естественно, что, прежде всего, развивались механические знания. Так, китайцы имели представления о силе (то, что заставляет двигаться), противодействии (то, что останавливает движение), рычаге, блоке, сравнении весов (сопоставлении с эталоном). В области оптики китайцы имели представление об образовании обратного изображения в «camera obscura». Уже в VI веке до н. э. они знали явления магнетизма - притяжения железа магнитом, на основе чего был создан компас. В области акустики им были известны законы гармонии, явления резонанса. Но это были еще эмпирические представления, не имевшие теоретического объяснения. В Древней Индии основу натурфилософских представлений составляло учение о пяти элементах - земле, воде, огне, воздухе и эфире. Существовала также догадка об атомном строении вещества. Были разработаны своеобразные представления о таких свойствах материи, как тяжесть, текучесть, вязкость, упругость, о движении и вызывающих его причинах. К VI в. до н. э. физические представления обнаруживают тенденцию перехода в своеобразные теоретические построения (в оптике, акустике). Главным фактором эволюции науки, как системы знаний, которые необходимо было сохранять, накапливать и передавать, явилось изобретение письменности. Пиктографическое (рисуночное) письмо шумеров появилось около 3200 лет до нашей эры. Около 3000 лет до нашей эры в Египте возникла система письменности, которую называют иероглифической. В ней для обозначения букв, звуков и слов используют символы. Около 2800 до нашей эры соседи шумеров вавилоняне, ассирийцы и персы преобразовали пиктографическое письмо в клинопись. И, наконец, около 1300 лет до нашей эры в Сирии был создан первый алфавит. Он состоял из 32 букв, каждая из которых соответствовала отдельному звуку. Древние греки заимствовали эту систему, и она стала предшественницей латинского алфавита. В древнем мире недостаточность знаний приводила к обожествлению сил природы, и люди, изучающие их, становились одновременно жрецами богов. Египетские жрецы - астрономы считали небо огромными часами и по расположению луны и звезд узнавали время разлива Нила и сроки празднования тех или иных праздников. Первый календарь, состоящий из 365 дней, ввел египетский жрец по имени Имхотеп. Шумеры (около 4000-3200 лет до н. э.) изобрели десятичную систему счета и были искусными математиками и астрономами. Вавилоняне (1900 - 600 лет до н. э.) умели предсказывать движения планет и звезд, пользуясь таблицами с описаниями перемещений планет, составленных на основе многолетних наблюдений. Они хотели уточнить календарь и предсказать будущее. Вавилоняне давали созвездиям имена своих богов. Эти знания легли в основу древнегреческой астрологии. Общепринято мнение, что первоистоки современной науки - из древнегреческой культуры, чему способствуют ссылки основоположников современной науки Н.Коперника, И.Кеплера, Г.Галилея на работы мыслителей Древней Греции. Древние греки, пытаясь глубоко понять и изучить окружающий мир, ставили много вопросов, проделывали различные вычисления, наблюдали и классифицировали окружающий мир. Они впервые поняли необходимость естественнонаучного, а не божественного, объяснения причин и следствий наблюдаемых явлений и предметов. Но самым главным достижением древних греков было не отрицание божественного происхождения мира, а создание учения об атомном строении веществ и первых академий и лицеев как учебных заведений. Идеи атомистики оказали существенное влияние на творчество Бойля, Ньютона, Ломоносова, Дальтона, Авогадро, Лавуазье, Менделеева и других выдающихся естествоиспытателей. Благодаря их усилиям, на базе идей атомистического учения, еще до экспериментального подтверждения существования атомов, была разработана физико-химическая теория строения вещества. На ее основе в XIX в. были достигнуты поразительные успехи в области химии. Идеи греков стали известны Европе через арабов. Все нынешние произведения древних греков мы знаем в переводах с арабского на латынь. Арабские ученые сохранили и передали средневековой Европе идеи античности. Арабское средневековье не только впитало знания и философию древних греков, но и имело значительные научные достижения. В арабском мире, особенно в эпоху между 900 и 1200 гг., процветали науки и искусства. Арабские мыслители создали алгебру. У них даже поэты были вначале математиками и уже потом поэтами. Развитие крупных городов послужило источником развития медицины. Произведение Абу Али ибн Сины (Авиценны), выходца с территории нынешнего Узбекистана, "Канон медицины" практически до 17 века был каноном для всех врачей.
Арабские мыслители подарили науке не только методологические установки, но и множество терминов - аль хебри - алгебра, аль хемия - алхимия, аль хогол – алкоголь и др. В науке, как правило, многие явления обозначаются латинскими и греческими словами, и эти слова воспринимаются как термины. Они и являются терминами. Но арабские ученые создали именно сами термины, которые уже потом были переведены на латынь. Каждая наука имеет свой язык, выраженный совокупностью понятий и терминов. Многие слова греческого языка наряду с латынью используются в виде научных терминов. Однако сами термины были изобретены арабами.
6. Естествознание средневековья (мусульманский Восток, христианский Запад) Эпоха средних веков характеризовалась в Европе закатом классической греко-римской культуры и резким усилением влияния церкви на всю духовную жизнь общества. В эту эпоху философия тесно сближается с теологией (богословием), фактически становится ее «служанкой». Возникает непреодолимое противоречие между наукой, делающей свои выводы из результатов наблюдение опытов, включая и обобщение этих результатов, и схоластическим богословием, для которого истина заключается в религиозных догмах. Пока европейская христианская наука переживала длительный период упадка (вплоть до ХII-ХШ вв.), на Востоке, наоборот, наблюдался прогресс науки. Со второй половины VIII в. научное лидерство явно переместилось из Европы на Ближний Восток. В IX веке, наряду с главным трудом Птолемея («Альмагест»), на арабский язык были переведены «Начала» Евклида и сочинения Аристотеля. Таким образом, древнегреческая научная мысль получила известность в мусульманском мире, способствуя развитию астрономии и математики. В истории науки этого периода известны такие имена арабских ученых, как Мухаммедаль-Баттани (850—929 гг.), астроном, составивший новые астрономические таблицы, Ибн-Юнас (950-1009 гг.), достигший заметных успехов в тригонометрии и сделавший немало ценных наблюдений лунных и солнечных затмений, Ибн аль-Хайсам (965-1020 гг.), получивший известность своими работами в области оптики, Ибн-Рушд (1126-1198 гг.), виднейший философ и естествоиспытатель своего времени, считавший Аристотеля своим учителем. Средневековой арабской науке принадлежат и наибольшие успехи в химии. Опираясь на материалы александрийских алхимиков I века и некоторых персидских школ, арабские химики достигли значительного прогресса в своей области. В их работах алхимия постепенно превращалась в химию. А уже отсюда (благодаря, главным образом, испанским маврам) в позднее средневековье возникла европейская химия. В XI веке страны Европы пришли в соприкосновение с богатствами арабской цивилизации, а переводы арабских текстов стимулировали восприятие знаний Востока европейскими народами. Большую роль в подъеме западной христианской науки сыграли университеты (Парижский, Болонский, Оксфордский, Кембриджский и др.), которые стали образовываться, начиная с XII века. И хотя эти университеты первоначально предназначались для подготовки духовенства, но в них уже тогда начинали изучаться предметы математического и естественнонаучного направления, а само обучение носило, более чем когда-либо раньше, систематический характер. XIII век характерен для европейской науки началом эксперимента и дальнейшей разработкой статики Архимеда. Здесь наиболее существенный прогресс был достигнут группой ученых Парижского университета во главе с Иорданом Неморарием (вторая половина XIII в.). Они развили античное учение о равновесии простых механических устройств, решив задачу, с которой античная механика справиться не могла, — задачу о равновесии тела на наклонной плоскости. В XIV веке в полемике с античными учеными рождаются новые идеи, начинают использоваться математические методы, т. е. идет прогресс подготовки будущего точного естествознания. Лидерство переходит к группе ученых Оксфордского университета, среди которых наиболее значительная фигура — Томас Брадвардин (1290-1349 гг.). Ему принадлежит трактат «О пропорциях» (1328 г.), который в истории науки оценивается как первая попытка написать «Математические начала натуральной философии» (именно так почти триста шестьдесят лет спустя назовет свой знаменитый труд Исаак Ньютон). Научные знания эпохи средневековья ограничивались в основном познанием отдельных явлений и легко укладывались в умозрительные натурфилософские схемы мироздания, выдвинутые еще в период античности (главным образом в учении Аристотеля). В таких условиях наука еще не могла подняться до раскрытия объективных законов природы. Естествознание — в его нынешнем понимании — еще не сформировалось. Оно находилось в стадии своеобразной «преднауки»
. 7. Наука Нового времени (Н. Коперник, Дж. Бруно, Г. Галилей, И. Ньютон и другие) Период конца XV-XVI веков, получивший название эпохи Возрождения, ознаменовал переход от средневековья к Новому времени. Наука Нового времени отличалась существенным прогрессом и радикальным изменением миропонимания, которое явилось следствием появления гелиоцентрического учения великого польского астронома Николая Коперника (1473-1543). Также он является создателем теории о вращении Земли вокруг Солнца, о суточном вращении Земли вокруг своей оси. Эта теория вступала в противоречие с существовавшими представлениями о Земле как избраннице Божией, стоящей, согласно схеме Птолемея, в центре мира. Коперник высказал очень важную мысль о движении как естественном свойстве небесных и земных объектов, подчиненном некоторым общим закономерностям единой механики. Тем самым было разрушено догматизированное представление Аристотеля о неподвижном «перводвигателе», якобы приводящем в движение Вселенную. Одним из активных сторонников учения Н. Коперника был знаменитый итальянский мыслитель Джордано Бруно (1548-1600). Он пошел дальше Коперника, отрицая наличие центра Вселенной вообще и отстаивая тезис о бесконечности Вселенной. Ряд новых положений, которыми Дж. Бруно дополнил систему Н. Коперника: - о существовании бесконечного количества миров; - о том, что Солнце не является неподвижным, а меняет свое положение по отношению к звездам; - о том, что атмосфера Земли вращается вместе с нею. Главная идея Дж. Бруно – идея о материальном единстве Вселенной как совокупности бесчисленных миров, таких же планетных систем, как наша. 17 февраля 1600 г., как нераскаявшийся еретик, Дж. Бруно был сожжен на костре, на Площади цветов в Риме инквизицией. Трагическая гибель Джордано Бруно произошла на рубеже двух эпох: эпохи Возрождения и эпохи Нового времени. Последняя охватывает три столетия – XVII, XVIII, XIX века. В этом трехсотлетнем периоде особую роль сыграл XVII век, ознаменовавшийся рождением современной науки, у истоков которой стояли такие выдающиеся ученые, как Галилей, Кеплер, Ньютон. Галилео Галилей (1564-1642) – великий итальянский астроном и физик, создатель основ механики, борец за передовое мировоззрение. Он сформулировал принцип инерции: тело либо находится в состоянии покоя, либо движется, не изменяя направления и скорости своего движения, если на него не производится какого-либо внешнего воздействия. Также он установил, что скорость свободного падения тел не зависит от их массы (как думал Аристотель), а пройденный падающим телом путь пропорционален квадрату времени падения. Именно Г. Галилей открыл, что траектория брошенного тела, движущегося под воздействием начального толчка и земного притяжения, является параболой. Ему принадлежит экспериментальное обнаружение весомости воздуха, открытие законов колебания маятника, немалый вклад в разработку учения о сопротивлении материалов. Велики его заслуги в области астрономии:- открыл 4 спутника Юпитера;- открыл пятна на Солнце и кольца Сатурна;- увидел, что поверхность Луны гористого строения, и что Луна имеет либрацию (видимые периодические колебания маятникового характера вокруг центра);- убедился, что кажущийся туманностью Млечный Путь состоит из множества отдельных звезд;- принял теории Коперника о строении Вселенной;- считался «отцом» экспериментальной физики, так как верным считал то, что может быть доказано опытным путем;- единственным критерием истины считал чувственный опыт, практику. Галилею пришлось предстать перед судом инквизиции. После длительных допросов он был вынужден отречься от учения Коперника и принести публичное покаяние. Однако прервать преемственность научной мысли было уже невозможно, и с астрономическими наблюдениями Галилея ознакомился и высоко оценил Иоган Кеплер (1571-1630) – один из крупнейших математиков и астрономов конца XVI – первой трети XVII века. На основе обобщения данных астрономических наблюдений он установил три закона движения планет относительно Солнца. 1-й закон: каждая планета движется по эллипсу, в одном из фокусов которого находится Солнце. 2-й закон: радиус-вектор, проведенный от Солнца к планете, в равные промежутки времени описывает равные площади. 3-й закон: квадраты времен обращения планет вокруг Солнца относятся как кубы их средних расстояний от него.Также Кеплер разработал теорию солнечных и лунных затмений, предложил способы их предсказания, уточнил величину расстояния между Землей и Солнцем, составил Рудольфовы таблицы (с помощью этих таблиц можно было определять положение планет в любой момент времени с высокой степенью точности). Кеплеру принадлежит решение ряда важных для практики стереометрических задач. Он был сторонником гелиоцентрической космологии Коперника.Творчеством одного из величайших ученых человечества, каковым был Исаак Ньютон (1643-1727), завершалась вторая научная революция. Его научное наследие чрезвычайно разнообразно. Самое главное научное достижение И. Ньютона было продолжение и завершение дела Галилея по созданию классической механики. Ньютон сформулировал три основных закона движения, которые легли в основу механики как науки. 1-й закон: всякое тело сохраняет состояние покоя или равномерного и прямолинейного движения до тех пор, пока оно не будет вынуждено изменить его под действием каких-то сил. 2-й закон: приобретаемое телом под действием какой-то силы ускорение прямо пропорционально этой действующей силе и обратно пропорционально массе тела. 3-й закон: действия двух тел друг на друга равны по величине и направлены в противоположные стороны.Данная система законов движения была дополнена открытым Ньютоном законом всемирного тяготения, согласно которому все тела, независимо от их свойств и от свойств среды, в которой они находятся, испытывают взаимное притяжение, прямо пропорциональное их массам и обратно пропорциональное квадрату расстояния между ними. Ньютон создал дифференциальное и интегральное исчисления. Он сделал важные астрономические наблюдения, внес большой вклад в развитие оптики (опыты в области дисперсии света). В 1687 году вышел в свет главный труд Ньютона «Математические начала натуральной философии», заложивший основы современной теоретической физики.
9. Классическое естествознание – характеристика В XVII веке родилось классическое естествознание, у истоков которого стояли такие выдающиеся ученые как Н. Коперник, Г. Галилей, И. Кеплер, Р. Декарт, И. Ньютон, Ф. Бэкон. 1.Классическое естествознание заговорило языком математики. Античная наука тоже ценила математику, однако ограничивала сферу ее применения «идеальными» небесными сферами, полагая, что описание земных явлений возможно только качественное, т.е. нематематическое. Новое естествознание сумело выделить строго объективные количественные характеристики земных тел (форма, величина, масса, движение) и выразить их в строгих математических закономерностях.2.Новоевропейская наука нашла также мощную опору в методах экспериментального исследования явлений со строго контролируемыми условиями. Это подразумевало активное, наступательное отношение к изучаемой природе, а не просто ее созерцание и умозрительное воспроизведение.3.Классическое естествознание безжалостно разрушило античные представления о космосе как вполне завершенном и гармоничном мире, который обладает совершенством, целесообразностью и т.д. На смену им пришла скучная концепция бесконечной, без цели и смысла существующей Вселенной, объединяемой лишь идентичностью законов.4.Доминантой классического естествознания, да и всей науки Нового времени стала механика. Возникла мощная тенденция сведения (редукции) всех знаний о природе к фундаментальным принципам и представлениям механики. При этом все соображения, основанные на понятиях ценности, совершенства, целеполагания были грубо изгнаны из царства научной мысли. Утвердилась чисто механическая картина природы.5.Сформировался также четкий идеал научного знания: раз и навсегда установленная абсолютно истинная картина природы, которую можно подправлять в деталях, но радикально переделывать уже нельзя. При этом в познавательной деятельности подразумевалась жесткая оппозиция субъекта и объекта познания, их строгая разделенность. Объект познания существует сам по себе, а субъект (тот, кто познает) как бы со стороны наблюдает и исследует внешнюю по отношению к нему вещь (объект), будучи при этом ничем не связанным и не обусловленным в своих выводах, которые в идеале воспроизводят характеристики объекта так, как есть «на самом деле».
10. Неклассическое естествознание – характеристика Подрыву классических представлений в естествознании способствовали некоторые идеи, которые зародились еще в середине XIX века, когда классическая наука находилась в зените славы. Среди этих первых неклассических идей, в первую очередь, следует отметить эволюционную теорию Ч. Дарвина. Как известно, в соответствии с этой теорией биологические процессы в природе протекают сложным, необратимым, зигзагообразным путем, который на индивидуальном уровне совершенно непредсказуем. Явно не вписывались в рамки классического детерминизма и первые попытки Дж. Максвелла и Л. Больцмана применить вероятностно-статистические методы к исследованию тепловых явлений. Г. Лоренц, А. Пуанкаре и Г. Минковский еще в конце XIX века начали развивать идеи релятивизма, подвергая критике устоявшиеся представления об абсолютном характере пространства и времени. Эти и другие революционные с точки зрения классической науки идеи привели в самом начале XX века к кризису естествознания, коренной переоценке ценностей, доставшихся от классического наследия.Научная революция, ознаменовавшая переход к неклассическому этапу в истории естествознания, в первую очередь, связана с именами двух великих ученых XX века - М. Планком и А. Эйнштейном. Первый ввел в науку представление о квантах электромагнитного поля, второй навсегда останется в истории человечества как автор специальной и общей теории относительности. Буквально в течение первой четверти века был полностью перестроен весь фундамент естествознания, который в целом остается достаточно прочным и в настоящее время. Что же принципиально нового в понимании природы принесло с собой неклассическое естествознание?1. Прежде всего, следует иметь в виду, что решающие шаги в становлении новых представлений были сделаны в области атомной и субатомной физики, где человек попал в совершенно новую познавательную ситуацию. Те понятия (положение в пространстве, скорость, сила, траектория движения и т.п.), которые с успехом работали при объяснении поведения макроскопических природных тел, оказались неадекватными и, следовательно, непригодными для отображения явлений микромира. И причина этого заключалась в том, что исследователь непосредственно имел дело не с микрообъектами самими по себе, как он к этому привык в рамках представлений классической науки, а лишь с "проекциями" микрообъектов на макроскопические "приборы". В связи с этим в теоретический аппарат естествознания были введены понятия, которые не являются наблюдаемыми в эксперименте величинами, а лишь позволяют определить вероятность того, что соответствующие наблюдаемые величины будут иметь те или иные значения в тех или иных ситуациях. Более того, эти ненаблюдаемые теоретические объекты (например, y - функция Шредингера в квантовой механике или кварки в современной теории адронов) становятся ядром естественнонаучных представлений, именно для них записываются базовые соотношения теории.2. Второй особенностью неклассического естествознания является преобладание же упомянутого вероятностно-статистического подхода к природным явлениям и объектам, что фактически означает отказ от концепции детерминизма. Переход к статистическому описанию движения индивидуальных микрообъектов было, наверное, самым драматичным моментом в истории науки, ибо даже основоположники новой физики так и не смогли смириться с онтологической природой такого описания ("Бог не играет в кости", - говорил А. Эйнштейн), считая его лишь временным, промежуточным этапом естествознания.3. Далеко за рамки естествознания вышла сформулированная Н. Бором и ставшая основой в неклассической физике идея дополнительности. В соответствии с этим принципом, получение экспериментальной информации об одних физических величинах, описывающих микрообъект, неизбежно связано с потерей информации о некоторых других величинах, дополнительных к первым. Такими взаимно дополнительными величинами являются, например, координаты и импульсы, кинетическая и потенциальная энергия, напряженность электромагнитного поля и число фотонов и т.п. Таким образом, с точки зрения неклассического естествознания невозможно не только однозначное, но и всеобъемлющее предсказание поведения всех физических параметров, характеризующих динамику микрообъектов.4. Для неклассического естествознания характерно объединение противоположных классических понятий и категорий. Например, в современной науке идеи непрерывности и дискретности уже не являются взаимоисключающими, а могут быть применены к одному и тому же объекту, в частности, к физическому полю или к микрочастице (корпускулярно-волновой дуализм). Другим примером может служить относительность одновременности: события, одновременные в одной системе отсчета, оказываются неодновременными в другой системе отсчета, движущейся относительно первой.5. Произошла в неклассической науке и переоценка роли опыта и теоретического мышления в движении к новым результатам. Прежде всего, была зафиксирована и осознана парадоксальность новых решений с точки зрения "здравого смысла". В классической науке такого резкого расхождения науки со здравым смыслом не было. Основным средством движения к новому знанию стало не его построение снизу, отталкиваясь от фактической, эмпирической стороны дела, а сверху. Явное предпочтение методу математической гипотезы, усложнение математической символики все чаще стали выступать средствами создания новых теоретических конструкций, связь которых с опытом оказывается не прямой и не тривиальной.
5. Древнегреческая натурфилософия (Аристотель, Демокрит, Пифагор и др.) Первой в истории человечества формой существования естествознания была так называемая натурфилософия (от лат. - natura — природа), или философия природы. Древнегреческая натурфилософия подразделяется на 3 периода. 1. Ионийский период (VI-V века до н.э.). Господствует учение о первоначалах мира (огонь, вода, воздух, земля). Фалес Милетский (640-564 до н.э.) – древнегреческий философ, считал, что первоначалом всех вещей является вода, и всё произошедшее от неё наделено свойствами жизни, одушевлено. Анаксимандр (640-547 до н.э.) – ученик Фалеса, представлял себе первовещество более абстрактным, более неопределенным, бесконечным, или «апейроном», породившим и воздух и воду, в которой возникла жизнь. Первая научная программа древности – математическая программа Пифагора (580-500 до н.э.). Помимо известной «теоремы Пифагора» на счету этого античного ученого имеется и ряд других научных достижений. К их числу относится, например, введение понятия иррациональности. Превыше всего ставил Число. Считая, что мир состоит из пяти элементов (земли, огня, воздуха, воды и эфира), Пифагор увязал их с пятью видами правильных многогранников с тем или иным числом граней. Пифагор заложил основы развития естествознания, опираясь на числовые закономерности, на законы бытия. 2. Афинский период (V-IV века до н.э.). Автором второй научной программы древности – физической программы был Демокрит (ок. 460-370 до н.э.). Его атомистическое учение объясняло целое как сумму отдельно составляющих его идей. Основные принципы атомизма Демокрита: - вся Вселенная состоит из мельчайших материальных частиц — атомов и незаполненного пространства — пустоты. Наличие последней является обязательным условием для осуществления перемещения атомов в пространстве;- атомы неуничтожимы, вечны, а потому и вся Вселенная, из них состоящая, существует вечно;- атомы представляют собой мельчайшие, неизменные, непроницаемые и абсолютно неделимые частицы — последние, образно говоря, «кирпичики мироздания»;- атомы находятся в постоянном движении, изменяют свое положение в пространстве;- различаются атомы по форме и величине;- все предметы материального мира образуются из атомов различных форм и различного порядка их сочетаний. Третьей научной программой древности было учение Аристотеля (384-322 до н.э.). Он представил мир как целое, естественно возникшее образование, имеющее причины развития в себе самом. В истории науки Аристотель известен также как автор космологическогоучения,котороеоказалоогромное влияние на миропонимание многих последующих столетий. Космология Аристотеля — геоцентристическое воззрение. Аристотель рассматривает Бога как разум мирового масштаба, дающий энергию «перводвигатель». 3. Эллинистский период (330 г. до н.э. – 30 г. н.э.). Одним из крупнейших ученых-математиков этого периода был Евклид (III век до н.э.). В своём труде «Начала» систематизировал все математические достижения того времени. В «Началах» были заложены основы античной математики. Созданный Евклидом метод аксиом позволил ему построить здание геометрии, носящей по сей день его имя. В этот период были также немалые достижения в области механики. Архимед (287-212 до н.э.) – первоклассный ученый, математик и механик эллинистского периода, решил ряд задач по вычислению площадей поверхностей и объемов, определил значение числа π (пи), ввёл понятие центра тяжести и разработал методы его определения для различных тел, дал математический вывод законов рычага. Широчайшую известность получил закон Архимеда, касающийся плавучести тел. Согласно этому закону, на всякое тело, погруженное в жидкость, действует поддерживающая сила, равная весу вытесненной телом жидкости, направленная вверх и приложенная к центру тяжести вытесненного объема.В этот период получили своё развитие идеи атомистики в учении Эпикура (341-270 до н.э.). Он внёс в описание атомов, сделанное Демокритом, некоторые поправки: - атомы не могут превышать известной величины;- число форм атомов ограничено;- атомы обладают тяжестью и т. д.Но самое главное в атомистическом учении Эпикура – это попытка найти какие-то внутренние источники жизни атомов. Он высказал мысль, что изменение направления их движения может быть обусловлено причинами, содержащимися внутри самих атомов.
15. Пространство и время (классическая механика И. Ньютона и теория относительности А. Эйнштейна) Пространство и время в классической механике И. Ньютона В 1687 г. вышел основополагающий труд Ньютона «Математические начала натуральной философии». Этот труд более чем на два столетия определил развитие всей естественно-научной картины мира. В нем были сформулированы основные законы движения и дано определение понятий пространства, времени, места и движения.Раскрывая сущность времени и пространства, Ньютон характеризует их как «вместилища самих себя и всего существующего. Во времени все располагается в смысле порядка последовательности, в пространстве — в смысле порядка положения». Он предлагает различать два типа понятий пространства и времени: абсолютные (истинные, математические) и относительные (кажущиеся, обыденные) и дает им следующую типологическую характеристику.- Абсолютное, истинное, математическое время само по себе и по своей сущности, без всякого отношения к чему-либо внешнему, протекает равномерно и иначе называется длительностью.- Относительное, кажущееся, или обыденное, время есть или точная, или изменчивая, постигаемая чувствами, внешняя мера продолжительности, употребляемая в обыденной жизни вместо истинного математического времени, как-то: час, день, месяц, год.- Абсолютное пространство по своей сущности, безотносительно к чему бы то ни было внешнему, остается всегда одинаковым и неподвижным.- Относительное пространство есть мера или какая-либо ограниченная подвижная часть, которая определяется нашими чувствами по положению его относительно некоторых тел и которое в обыденной жизни принимается за пространство неподвижное.Из определений Ньютона следовало, что разграничение им понятий абсолютного и относительного пространства и времени связано со спецификой теоретического и эмпирического уровней их познания. На теоретическом уровне классической механики абсолютное пространство и время играли существенную роль во всей причинной структуре описания мира. Они выступали в качестве универсальной инерциальной системы отсчета, так как законы движения классической механики справедливы в инерциальных системах отсчета. На уровне эмпирического познания материального мира понятия «пространство» и «время» ограничены чувствами и свойствами познающей личности, а не объективными признаками реальности как таковой. Поэтому они выступают в качестве относительного времени и пространства. Пространство и время в теории относительности А. Эйнштейна А. Эйнштейн отказался от представлений классической механики. Согласно представлению Эйнштейна, каждое движение тела происходит относительно определённого тела отсчёта, поэтому все физические процессы и законы должны формулироваться по отношению к точной системе отсчёта, следовательно, не существует никакого абсолютного пространства и времени. Он впервые связывает обособленные в классической механике понятия пространства и времени в понятие пространственно-временной непрерывности (континуум).Теория относительности рассматривает наш мир как четырёхмерный, где тремя координатами x, y, z описывают пространство, а четвёртой – t – время.До 1915 г. пространство и время воспринимались как некая жесткая арена для событий, на которую все происходящее на ней никак не влияет. Так обстояло дело даже в специальной теории относительности. Тела двигались, силы притягивали и отталкивали, но время и пространство просто оставались самими собой, их это не касалось. И было естественно думать, что пространство и время бесконечны и вечны. В общей же теории относительности А. Эйнштейнаситуация совершенно иная. Пространство и время теперь динамические величины: когда движется тело или действует сила, это изменяет кривизну пространства и времени, а структура пространства-времени в свою очередь влияет на то, как движутся тела и действуют силы. Пространство и время не только влияют на все, что происходит во Вселенной, но и сами изменяются под влиянием всего в ней происходящего. Как без представлений о пространстве и времени нельзя говорить о событиях во Вселенной, так в общей теории относительности стало бессмысленным говорить о пространстве и времени за пределами Вселенной. В последующие десятилетия новому пониманию пространства и времени предстояло произвести переворот в наших взглядах на Вселенную. Старое представление о почти не меняющейся Вселенной, которая, может быть, всегда существовала и будет существовать вечно, сменилось картиной динамической, расширяющейся Вселенной, которая, по-видимому, возникла когда-то в прошлом и, возможно, закончит свое существование когда-то в будущем. Пространство – форма бытия материи, характеризующая её протяжённость, структурность, сосуществование и взаимодействие во всех материальных системах. Время характеризует последовательность смены состояний и длительность бытия любых объектов и процессов, внутреннюю связь сменяющихся и сохраняющихся состояний. Общие свойства пространства и времени: - объективность – т.е. существуют независимо от сознания людей и познания ими этой объективной реальности;- абсолютность – вытекает из признания тезиса о том, что бытие вне времени есть такая же бессмыслица, как и бытие вне пространства;- относительность – человеческие представления о пространстве и времени относительны; из этих относительных представлений складывается абсолютная истина;- бесконечность. Общие свойства пространства: - протяженность; - связанность и непрерывность – между двумя различными точками в пространстве, как близко бы они не находились, всегда есть третья;- трёхмерность – каждая точка пространства однозначно определяется набором трёх действительных чисел – координат;- единство метрических и топологических характеристик. Общие свойства времени: - длительность; - единство прерывного и непрерывного - между двумя моментами времени как близко бы они не располагались всегда можно выделить третий;- необратимость – следствие второго Начала термодинамики или Закона сохранения энтропии;- одномерность – любые явления, происходящие в одних и тех же условиях, но в разное время, будут протекать одинаково.
11. Структурные уровни организации материи (микро-, макро- и мегамир) В физике на основе пространственно-временных характеристик выделяют 3 уровня организации материи. Микромир — мир предельно малых, непосредственно не наблюдаемых микрообъектов, пространственная размерность которых исчисляется от 10-8 до 10-16 см, а время жизни — от 10-24 секунд до бесконечности. Сюда относятся поля, элементарные частицы, ядра, атомы и молекулы. Макромир — мир макрообъектов, размерность которых соотносима с масштабами человеческого опыта: пространственные величины выражаются в миллиметрах, сантиметрах и километрах, а время — в секундах, минутах, часах, годах. В практической действительности макромир представлен макромолекулами, веществами в различных агрегатных состояниях, живыми организмами, человеком и продуктами его деятельности, т.е. макротелами. Мегамир — мир объектов космических масштабов и скоростей, расстояние в котором измеряется световыми годами, а время существования космических объектов — миллионами и миллиардами лет. К этому уровню материи относятся наиболее крупные материальные объекты: звезды, галактики и их скопления.И хотя на этих уровнях действуют свои специфические закономерности, микро-, макро- и мегамиры теснейшим образом взаимосвязаны. Структура микромира. На рубеже XIX—XX вв. в естественнонаучной картине мира произошли радикальные изменения, вызванные новейшими научными открытиями в области физики и затронувшие ее основополагающие идеи и установки. В результате научных открытий были опровергнуты традиционные представления классической физики об атомной структуре вещества. Открытие электрона означало утрату атомом статуса структурно неделимого элемента материи и тем самым коренную трансформацию классических представлений об объективной реальности. Новые открытия позволили:1) выявить существование в объективной реальности не только макро-, но и микромира;2) подтвердить представление об относительности истины, являющейся только ступенькой на пути познания фундаментальных свойств природы;3) доказать, что материя состоит не из «неделимого первоэлемента» (атома), а из бесконечного многообразия явлений, видов и форм материи и их взаимосвязей. Структура макромира. Каждый структурный уровень материи в своем развитии подчиняется специфическим законам, но при этом между этими уровнями нет строгих и жестких границ, все они теснейшим образом связаны между собой. Границы микро- и макромира подвижны, не существует отдельного микромира и отдельного макромира. Естественно, что макрообъекты и мегаобъекты построены из микрообъектов. Тем не менее, выделим важнейшие объекты макромира.Центральным понятием макромира является понятие вещества, которое в классической физике, являющейся физикой макромира, отделяют от поля. Под веществом понимают вид материи, обладающий массой покоя. Оно существует для нас в виде физических тел, которые обладают некоторыми общими параметрами — удельной массой, температурой, теплоемкостью, механической прочностью или упругостью, тепло- и электропроводностью, магнитными свойствами и т.п. Все эти параметры могут изменяться в широких пределах как от одного вещества к другому, так и для одного и того же вещества в зависимости от внешних условий. Структура мегамира. Основными структурными элементами мегамира являются планеты и планетные системы; звезды и звездные системы, образующие галактики; системы галактик, образующие метагалактики.
12. Вещество и поле. Корпускулярно-волновой дуализм Вещество – это вид материи, имеющей атомарно-молекулярную или плазменную структуру. Частицы вещества имеют массу покоя, не равную нулю.Вселенная представляет собой самую крупную вещественную систему, т. е. систему объектов, состоящих из вещества. В современном представлении различают три взаимосвязанных формы материи: вещество, поле и физический вакуум. Вещество состоит из дискретных частиц, проявляющих волновые свойства. Для микрочастиц характерна двойственная корпускулярно-волновая природа. Свойства физического вакуума пока познаны намного хуже многих вещественных систем и структур. Физический вакуум обнаруживается при взаимодействии с веществом на его глубинных уровнях. Предполагается, что вакуум и вещество неразделимы и ни одна вещественная частица не может быть изолирована от его присутствия и влияния. В соответствии с концепцией самоорганизации физический вакуум выступает в роли внешней среды для Вселенной.У вещества есть четыре агрегатных состояния: - твердое;- жидкое;- газообразное;- плазма. Поле – особое состояние среды, в каждой точке которой заданы параметры, которые характеризуют состояние вещества и которые непрерывно и плавно меняются от точки к точке. Поле является материальным фактором, который приводит к взаимодействию тел. Корпускулярно-волновой дуализм — это теория о том, что любое вещество (электромагнитное излучение, физическое тело, атом и т.п.) представляется на микроуровне одновременно и как мельчайшие частицы (корпускулы), и как волны.В истории развития учения о свете сменяли друг друга корпускулярная теория света (Ньютон) и волновая (Р. Гук, Ч. Гюйгенс, Т. Юнг, Ж. Френель), представлявшая свет как механическую волну. В 70-х годах после утверждения теории Максвелла под светом стали понимать электромагнитную волну.В начале 20-го века на основе экспериментов было неопровержимо доказано, что свет обладает как волновыми, так и корпускулярными свойствами. Было также обнаружено, что в проявлении этих свойств существуют вполне определенные закономерности: чем меньше длина волны (т.е. чем больше частота), тем сильнее проявляются корпускулярные свойства света.В 1924 г. французский физик Луи де Бройль выдвинул смелую гипотезу: корпускулярно-волновой дуализм имеет универсальный характер, т.е. и все частицы вещества, имеющие массу m и импульс p, обладают волновыми свойствами. Так в физике появилась знаменитая формула де Бройля: λ=h/ (mv), где m – масса частицы, v – ее скорость, h – постоянная Планка.В настоящее время волновые свойства микрочастиц находят широкое применение, например, в электронном микроскопе. Современные электронные микроскопы позволяют видеть молекулы и даже атомы вещества (увеличение в 105-106 раз).При проявлении у микрообъекта корпускулярных свойств его волновые свойства существуют как потенциальная возможность, способная при определенных условиях перейти в действительность (диалектическое единство корпускулярных и волновых свойств материи). По современным представлениям квантовый объект – это не частица, не волна, и даже не то и другое одновременно. Квантовый объект – это нечто третье, не равное простой сумме свойств частицы и волны. Для выражения свойства квантового объекта у нас в языке просто нет соответствующих понятий. Но, поскольку сведения о микрообъекте, о его характеристиках мы получаем в результате взаимодействия его с прибором (макрообъектом), то и описывать этот микрообъект приходится в классических понятиях, т.е. используя понятия волны и частицы.
14. Характеристика основных видов взаимодействия (гравитационное, электромагнитное, сильное и слабое)1. Гравитационное взаимодействие является универсальным, однако в микромире не учитывается, так как из всех взаимодействий является самым слабым и проявляется только при наличии достаточно больших масс. Его радиус действия не ограничен, время также не ограничено. Обменный характер гравитационного взаимодействия до сих пор остается под вопросом, так как гипотетическая фундаментальная частица- гравитон- пока не обнаружена.(И. Ньютон) – самое слабое взаимодействие. 2. Электромагнитное взаимодействие: константа порядка 10-2, радиус взаимодействия не ограничен, время взаимодействия t ~ 10-20с. Оно реализуется между всеми заряженными частицами. Частица-переносчик – фотон (γ-квант). (Кулон). 3. Слабое взаимодействие связано со всеми видами β-распада, им обусловлены многие распады элементарных частиц и взаимодействие нейтрино с веществом. Константа взаимодействия порядка 10-13, t ~ 10-10с. Это взаимодействие, как и сильное, является короткодействующим: радиус взаимодействия r~10-18м. Частицы-переносчики – промежуточный векторный бозон: W+, W-, Z0. (Ферми). 4. Сильное взаимодействие обеспечивает связь нуклонов в ядре. Константа взаимодействия принимается равной1, радиус действия порядка 10-15м, время протекания t ~10-23с. Сильное взаимодействие осуществляется между кварками – частицами, из которых состоят протоны и нейтроны – c помощью т.н. глюонов. (Юкава).
19.18. Космологические модели Вселенной (от геоцентризма, гелиоцентризма к модели Большого взрыва и расширяющейся Вселенной) Космология (космогония) – область науки, изучающая происхождение и развитие вселенной. 1. Геоцентризм. Космология Аристотеля — геоцентрическая система мира: Земля, имеющая форму шара, неподвижно пребывает в центре Вселенной. 2. Гелиоцентризм. Николай Коперник (первая научная революция) стал автором гелиоцентрического учения, согласно которому центром Вселенной является Солнце, вокруг которого по своим орбитам движутся планеты, в том числе и Земля. Совершая обращение вокруг Солнца, Земля одновременно вращается и вокруг собственной оси, чем и объясняется смена дня и ночи. 3. Теория стационарного состояния Вселенной. Основные постулаты: • Вселенная — это все существующее, «мир в целом». Космология познает мир таким, каким он существует сам по себе, безотносительно к условиям познания.• Пространство и время Вселенной абсолютны, они не зависят от материальных объектов и процессов.• Пространство и время метрически бесконечны.• Пространство и время однородны и изотропны.• Вселенная стационарна, не претерпевает эволюции. Изменяться могут конкретные космические системы, но не мир в целом. 4. Релятивистская модель Вселенной. Новая модель Вселенной была создана в 1917 г. А. Эйнштейном. Ее основу составила релятивистская теория тяготения — общая теория относительности. Эйнштейн отказался от постулатов абсолютности и бесконечности пространства и времени, однако сохранил принцип стационарности, неизменности Вселенной во времени и ее конечности в пространстве. Свойства Вселенной, по мнению Эйнштейна, определяются распределением в ней гравитационных масс, Вселенная безгранична, но при этом замкнута в пространстве. Согласно этой модели, пространство однородно и изотропно, т.е. во всех направлениях имеет одинаковые свойства, материя распределена в нем равномерно, время бесконечно, а его течение не влияет на свойства Вселенной. На основании проведенных расчетов Эйнштейн сделал вывод, что мировое пространство представляет собой четырехмерную сферу.При этом не следует представлять себе данную модель Вселенной в виде обычной сферы. Сферическое пространство есть сфера, но сфера четырехмерная, не поддающаяся наглядному представлению. По аналогии можно сделать вывод, что объем такого пространства конечен, как конечна поверхность любого шара, ее можно выразить конечным числом квадратных сантиметров. Поверхность всякой четырехмерной сферы также выражается конечным числом кубометров. Такое сферическое пространство не имеет границ, и в этом смысле оно безгранично. Летя в таком пространстве в одном направлении, мы в конце концов вернемся в исходную точку. Но в то же время муха, ползущая по поверхности шара, нигде не найдет границ и преград, запрещающих ей двигаться в любом избранном направлении. В этом смысле поверхность любого шара безгранична, хотя и конечна, т.е. безграничность и бесконечность — это разные понятия.Итак, из расчетов Эйнштейна следовало, что наш мир является четырехмерной сферой. Объем такой Вселенной может быть выражен хотя и очень большим, но все же конечным числом кубометров. В принципе можно облететь всю замкнутую Вселенную, двигаясь все время в одном направлении. Такое воображаемое путешествие подобно земным кругосветным путешествиям. Но конечная по объему Вселенная в то же время безгранична, как не имеет границ поверхность любой сферы. Вселенная Эйнштейна содержит хотя и большое, но все же конечное число звезд и звездных систем, а поэтому к ней неприменимы фотометрический и гравитационный парадоксы. В то же время призрак тепловой смерти тяготеет и над Вселенной Эйнштейна. Такая Вселенная, конечная в пространстве, неизбежно идет к своему концу во времени. Вечность ей не присуща.Таким образом, несмотря на новизну и даже революционность идей, Эйнштейн в своей космологической теории ориентировался на привычную классическую мировоззренческую установку статичности мира. Его более привлекал гармоничный и устойчивый мир, нежели мир противоречивый и неустойчивый. 5. Модель Большого взрыва. Представление о развитии Вселенной закономерно привело постановке проблемы начала эволюции (рождения) Вселенной и ее конца (смерти). В настоящее время существует несколько космологических моделей, объясняющих отдельные аспекты возникновения материи во Вселенной, но они не объясняют причин и процесса рождения самой Вселенной. Из всей совокупности современных космологических теорий только теория Большого взрыва Г. Гамова смогла к настоящему времени удовлетворительно объяснить почти все факты, связанные с этой проблемой. Основные черты модели Большого взрыва сохранились до сих пор, хотя и были позже дополнены теорией инфляции, или теорией раздувающейся Вселенной, разработанной американскими учеными А. Гутом и П. Стейнхардтом и дополненной советским физиком А.Д. Линде.В 1948 г. выдающийся американский физик русского происхождения Г. Гамов выдвинул предположение, что физическая Вселенная образовалась в результате гигантского взрыва, происшедшего примерно 15 млрд. лет тому назад. Тогда все вещество и вся энергия Вселенной были сконцентрированы в одном крохотном сверхплотном сгустке. Если верить математическим расчетам, то в начале расширения радиус Вселенной был и вовсе равен нулю, а ее плотность равна бесконечности. Это начальное состояние называется сингулярностью — точечный объем с бесконечной плотностью. Известные законы физики в сингулярности не работают. В этом состоянии теряют смысл понятия пространства и времени, поэтому бессмысленно спрашивать, где находилась эта точка. Также современная наука ничего не может сказать о причинах появления такого состояния.Тем не менее, согласно принципу неопределенности Гейзенберга вещество невозможно стянуть в одну точку, поэтому считается, что Вселенная в начальном состоянии имела определенную плотность и размеры. По некоторым подсчетам, если все вещество наблюдаемой Вселенной, которое оценивается примерно в 1061 г, сжать до плотности 1094 г/см3, то оно займет объем около 10-33 см3. Ни в какой электронный микроскоп разглядеть ее было бы невозможно. Долгое время ничего нельзя было сказать о причинах Большого взрыва и переходе Вселенной к расширению. Но сегодня появились некоторые гипотезы, пытающиеся объяснить эти процессы. Они лежат в основе инфляционной модели развития Вселенной. 6. Модель расширяющейся Вселенной. Модель Вселенной Эйнштейна стала первой космологической моделью, базирующейся на выводах общей теории относительности. Это связано с тем, что именно тяготение определяет взаимодействие масс на больших расстояниях. Поэтому теоретическим ядром современной космологии выступает теория тяготения — общая теория относительности. В 1922 г., советский физик и математик А. Фридман на основе строгих расчетов показал, что Вселенная Эйнштейна не может быть стационарной, неизменной. При этом Фридман опирался на сформулированный им космологический принцип, который строится на двух предположениях: об изотропности и однородности Вселенной. Изотропность Вселенной понимается как отсутствие выделенных направлений, одинаковость Вселенной по всем направлениям. Однородность Вселенной понимается как одинаковость всех точек Вселенной: мы можем проводить наблюдения в любой из них и везде увидим изотропную Вселенную.Фридман на основе космологического принципа доказал, что уравнения Эйнштейна имеют и другие, нестационарные решения, согласно которым Вселенная может либо расширяться, либо сжиматься. При этом речь шла о расширении самого пространства, т.е. об увеличении всех расстояний мира. Вселенная Фридмана напоминала раздувающийся мыльный пузырь, у которого и радиус, и площадь поверхности непрерывно увеличиваются.Первоначально модель расширяющейся Вселенной носила гипотетический характер и не имела эмпирического подтверждения. Однако в 1929 г. американский астроном Э. Хаббл обнаружил эффект «красного смещения» спектральных линий (смещение линий к красному концу спектра). Это было истолковано как следствие эффекта Доплера — изменение частоты колебаний или длины волн из-за движения источника волн и наблюдателя по отношению друг к другу. «Красное смещение» было объяснено как следствие удаления галактик друг от друга со скоростью, возрастающей с расстоянием. Согласно последним измерениям увеличение скорости расширения составляет примерно 55 км/с на каждый миллион парсек.В результате своих наблюдений Хаббл обосновал представление, что Вселенная — это мир галактик, что наша Галактика — не единственная в ней, что существует множество галактик, разделенных между собой огромными расстояниями. Вместе с тем Хаббл пришел к выводу, что межгалактические расстояния не остаются постоянными, а увеличиваются.
13. Элементарные частицы: классификация и характеристика Термин «элементарная частица» первоначально означал простейшие, далее ни на что не разложимые частицы, лежащие в основе любых материальных образований. Позднее физики осознали всю условность термина «элементарный» применительно к микрообъектам. Сейчас уже не подлежит сомнению, что частицы имеют ту или иную структуру, но тем не менее исторически сложившееся название продолжает существовать. Основными характеристиками элементарных частиц являются масса, заряд, среднее время жизни, спин и квантовые числа.Массу покоя элементарных частиц определяют по отношению к массе покоя электрона. Существуют элементарные частицы, не имеющие массы покоя, — фотоны. Остальные частицы по этому признаку делятся на: лептоны — легкие частицы (электрон и нейтрино); мезоны — средние частицы с массой в пределах от одной до тысячи масс электрона; барионы — тяжелые частицы, чья масса превышает тысячу масс электрона и в состав которых входят протоны, нейтроны, гипероны и многие резонансы. Электрический заряд является другой важнейшей характеристикой элементарных частиц. Все известные частицы обладают положительным, отрицательным либо нулевым зарядом. Каждой частице, кроме фотона и двух мезонов, соответствуют античастицы с противоположным зарядом. В 1967 г. американский физик М. Гелл-Манн высказал гипотезу о существовании кварков — частиц с дробным электрическим зарядом.По времени жизни частицы делятся на стабильные и нестабильные. Стабильных частиц пять: фотон, две разновидности нейтрино, электрон и протон. Именно стабильные частицы играют важнейшую роль в структуре макротел. Все остальные частицы нестабильны, они существуют около 10-10 — 10-24, после чего распадаются.Помимо заряда, массы и времени жизни, элементарные частицы описываются также понятиями, не имеющими аналогов в классической физике: понятием «спин», или собственный момент количества движения микрочастицы, и понятием «квантовые числа», выражающим состояние элементарных частиц.Согласно современным представлениям, все элементарные частицы делятся на два класса: фермионы (названные в честь Э. Ферми) и бозоны (названные в честь Ш. Бозе).К фермионам относятся кварки и лептоны, к бозонам — кванты полей (фотоны, векторные бозоны, глюоны, гравитино и гравитоны). Эти частицы считаются истинно элементарными, т.е. далее неразложимыми. Остальные частицы классифицируются как условно элементарные, т.е. составные частицы, образованные из кварков и соответствующих квантов полей. Фермионы составляют вещество, бозоны переносят взаимодействие. Достижения в области исследования элементарных частиц способствовали дальнейшему развитию концепции атомизма. В настоящее время считают, что среди множества элементарных частиц можно выделить 12 фундаментальных частиц и столько же античастиц. Шесть частиц — это кварки с экзотическими названиями: «верхний», «нижний», «очарованный», «странный», «истинный», «прелестный». Остальные шесть — лептоны: электрон, мюон, тау-частица и соответствующие им нейтрино (электронное, мюонное, тау-нейтрино). Эти 12 частиц группируют в три поколения, каждое из которых состоит из четырех членов.В первом поколении — «верхний» и «нижний» кварки, электрон и электронное нейтрино.Во втором поколении — «очарованный» и «странный» кварки, мюон и мюонное нейтрино.В третьем поколении — «истинный» и «прелестный» кварки и тау-частицы со своим нейтрино. Обычное вещество состоит из частиц первого поколения. Предполагается, что остальные поколения можно создать искусственно на ускорителях заряженных частиц.На основе кварковой модели физики разработали простое и изящное решение проблемы строения атомов.Каждый атом состоит из тяжелого ядра (сильно связанных глюонными полями протонов и нейтронов) и электронной оболочки. Число протонов в ядре равно порядковому номеру элемента в периодической таблице химических элементов Д.И. Менделеева. Протон имеет положительный электрический заряд, массу в 1836 раз больше массы электрона, размеры порядка 10-13 см. Электрический заряд нейтрона равен нулю. Протон, согласно кварковой гипотезе, состоит из двух «верхних» кварков и одного «нижнего», а нейтрон — из одного «верхнего» и двух «нижних» кварков. Их нельзя представить в виде твердого шарика, скорее, они напоминают облако с размытыми границами, состоящее из рождающихся и исчезающих виртуальных частиц.Остаются еще вопросы о происхождении кварков и лептонов, о том, являются ли они основными «кирпичиками» природы и насколько фундаментальны. Ответы на эти вопросы ищут в современной космологии. Большое значение имеет исследование рождения элементарных частиц из вакуума, построение моделей первичного ядерного синтеза, породивших те или иные частицы в момент рождения Вселенной.
8. Естественнонаучная картина мира: физическая картина мира (механическая, электромагнитная, современная – квантово-релятивистская) Естественнонаучная картина мира (ЕНКМ) – это система важнейших принципов и законов, лежащих в основе окружающего нас мира. Механическая картина мира (МКМ). Формирование МКМ происходило в течение нескольких столетий до середины XIX века под сильным влиянием взглядов выдающихся мыслителей древности: Демокрита, Эпикура, Аристотеля, Лукреция и др. Она явилась необходимым и очень важным шагом на пути познания природы.Имена учёных, внесших основной вклад в создание МКМ: Н.Коперник, Г.Галилей, Р.Декарт, И.Ньютон, П.Лаплас и др. Основные черты механической картины мира: - все материальные тела состоят из молекул, находящихся в непрерывном и хаотическом механическом движении. Материя – вещество, состоящее из неделимых частиц;- взаимодействие тел осуществляется согласно принципа дальнодействия, мгновенно на любые расстояния (закон всемирного тяготения, закон Кулона), или при непосредственном контакте (силы упругости, силы трения);- пространство – пустое вместилище тел. Всё пространство заполняет невидимая невесомая «жидкость» - эфир;- время – простая длительность процессов. Время абсолютно;- всё движение происходит на основе законов механики Ньютона, все наблюдаемые явления и превращения сводятся к механическим перемещениям и столкновениям атомов и молекул;- мир выглядит как колоссальная машина с множеством деталей, рычагов, колёсиков. Достоинство МКМ состоит в том, что это первая научная картина мира. Электромагнитная картина мира (ЭМКМ). В XIX веке естественные науки накопили огромный эмпирический материал, нуждающийся в переосмыслении и обобщении. Многие полученные в результате исследований научные факты не совсем вписывались в устоявшиеся механические представления об окружающем мире. Во второй половине XIX века на основе исследований в области электромагнетизма сформировалась новая физическая картина мира - электромагнитная картина мира (ЭМКМ). В её формировании сыграли решающую роль исследования, проведённые выдающимися учёными М. Фарадеем и Дж. Максвеллом, Г. Герцем. Весь мир заполнен электромагнитным эфиром, который может находиться в различных состояниях. Физические поля трактовались как состояния эфира. Эфир является средой для распространения электромагнитных волн и, в частности, света. Материя существует в двух видах: вещество и поле. Вещество – это вид материи, имеющей атомарно-молекулярную или плазменную структуру. Частицы вещества имеют массу покоя, не равную нулю. Поле – это особый вид материи, посредством которого осуществляются электромагнитные взаимодействия; представляющий собой единство электрического и магнитного полей.1. Материя считается непрерывной. Все законы природы сводятся к уравнениям Дж. Максвелла, описывающим непрерывную субстанцию: природа не делает скачков. Вещество состоит из электрически заряженных частиц, взаимодействующих между собой посредством полей. 2. На основе электромагнитных взаимодействий объясняются все известные механические, электрические, магнитные, химические, тепловые, оптические явления. Современная – квантово-релятивистская (квантово-полевая) картина мира (КПКМ). Как и все предшествующие картины мира, КПКМ представляет собой процесс дальнейшего развития и углубления наших знаний о сущности физических явлений. Процесс становления и развития КПКМ продолжается и прошел уже ряд стадий, в частности:1)утверждение корпускулярно-волновых представлений о материи;2)изменение методологии познания и отношения к физической реальности; Пояснение: ранее считалось, что устройство мира можно познавать, не вмешиваясь в него, не влияя на протекающие в нем процессы, т.е. находясь как бы вне его, вне абсолютной физической реальности. Эйнштейн не включал в понятие «физическая реальность» акт наблюдения, а Бор считал его важным элементом физической реальности. Картина реальности в квантовой механике становится как бы двуплановой: с одной стороны в нее входят характеристики исследуемого объекта, а с другой – условия наблюдения. Таким образом, в КПКМ появляется принцип относительности к средствам наблюдения. Все рассмотренные ранее картины мира отличались своей трактовкой таких фундаментальных понятий как пространство и время, движение, принцип причинности, взаимодействия. Рассмотрим, как они представлены в КПКМ. Пространство и время. При рассмотрении МКМ подчеркивалось, что пространство и время в ней абсолютны и независимы друг от друга. Для характеристики объекта в пространстве вводились три пространственные координаты (x,y,z), а для обозначения времени независимо от них вводилась одна временная координата t. В СТО и ЭМКМ они потеряли абсолютный и независимый характер. Появилось новое пространство-время как абсолютная характеристика четырехмерного Мира (пространственно-временного континуума Минковского). И новая величина – пространственно-временной интервал стал оставаться неизменным (инвариантным) при переходе от одной системы отсчета к другой. Причинность. В МКМ при описании объектов используется два класса понятий: пространственно-временные, которые дают кинематическую картину движения и энергетически импульсные, которые дают динамическую (причинную) картину. В МКМ и ЭМКМ они независимы. В КПКМ, в соответствии соотношением неопределенностей они не могут применяться независимо друг от друга, они дополняют друг друга. Таким образом, пространство, время и причинность оказались относительными и зависимыми друг от друга. Независимостьпространства, времени и причинности в МКМ позволяет говорить о точной локализации объекта в пространстве, его траектории, об однозначной причинно-следственной связи (лапласовский детерминизм), об одновременном, точном измерении координат и скорости, энергии и времени.В квантовой механике относительность пространства-времени и причинности приводит к неопределенности координат и скорости в данный момент, к отсутствию траектории движения микрообъекта. И если в классической физике вероятностным законам подчинялось поведение большого числа частиц, то в квантовой механике поведение каждой частицы подчиняется не динамическим (детерминистским), а статистическим законам. Таким образом, причинность в современной КПКМ имеет вероятностный характер (вероятностная причинность).
Дата добавления: 2015-04-20; просмотров: 24 | Поможем написать вашу работу | Нарушение авторских прав |