ЕСТЕСТВЕННОНАУЧНАЯ КАРТИНА МИРА Рейтинг-план Виды Количество деятельности

ЕСТЕСТВЕННОНАУЧНАЯ КАРТИНА МИРА

Рейтинг-план Виды Количество деятельности 1. Лекции 20 ч 2. Семинары 24 ч 3. Отчет по 12 семинару 4. Контрольн 3 ые Итог (максимум) Для зачета(минимум) Баллы 20 24 12 x 5 = 60 3 x 5 = 15 119 83

Рекомендуемая литература n n Горелов А. А. Концепции современного естествознания Карпенков С. Х. Концепции современного естествознания Лавриненко В. Н. , Ратников В. П. Концепции современного естествознания Артамонова З. В. , Саранин В. А. Концепции современного естествознания. Словарь-справочник

РАЗДЕЛ 1. ВВЕДЕНИЕ

1. 1. Понятие естественнонаучной картины мира n n Естествознание – комплекс наук о природе, взятых в их взаимосвязи (БСЭ). При этом под природой понимается весь мир в многообразии его форм. Объект естествознания – природа. Предмет естествознания – факты и явления природы, которые воспринимаются нашим органами чувств непосредственно или опосредованно, с помощью приборов. Картина мира - упорядоченная совокупность знаний о действительности, сформировавшаяся в сознании (общественном, групповом, индивидуальном).

Картины мира НАУЧНАЯ ФИЛОСОФСКАЯ МИФОЛОГИЧЕСКАЯ КАРТИНЫ МИРА Естественнонаучная · Физическая · Химическая · Биологическая · Астрономическая · Географическая Гуманитарная · Психологическая · Социологическая · Педагогическая · Языковая · Историческая РЕЛИГИОЗНАЯ ОБЫДЕННАЯ Технологическая · Кибернетическая · Техническая · Экономическая · Управленческая

n Научная картина мира – целостная система представлений о мире, его общих свойствах и закономерностях, возникающая в результате обобщения различных научных теорий. n Естественнонаучная картина мира - это система основных концепций (идей, законов, принципов, знаний) о природе. n Конце пция (от лат. conceptio — понимание, система) — генеральный замысел, руководящая идея, система взглядов на явления в мире, в природе, в обществе. Естествознание является основой для формирования научной картины мира.

1. 2. Наука. Функции науки. Критерии научного знания. n Наука — это сфера человеческой деятельности, представляющая собой рациональный способ познания мира, основанный на эмпирической проверке или математическом доказательстве.

Функции науки 1. Познавательная 1) Производство новых знаний 2) Объяснение (понимание) 3) Предсказание 2. Мировоззренческая Наполняет мировоззрение человека представлением об окружающей действительности на основе формирования научной картины мира. 3. Производственная (катализатор развития) Наука - производительная сила общества, основа совершенствования и модернизации производства и других сфер жизни человека (здравоохранение, образование, быта). 4. Социальная Наука включена в процессы социального развития и управления им при взаимодействии гуманитарных и технических наук. 5. Культурная Наука – феномен человеческой культуры, общественное достояние, содержательно наполняет образовательный процесс.

Критерии научного знания n n n n Системность Достоверность Критичность Общезначимость Преемственность Прогнозированность Детерминированность n n n n Фрагментарность Чувственность Незавершенность Рациональность Внеморальность Обезличенность Универсальность

Дифференциация и интеграция наук Дифференциация наук Физика Биология Классическая механика Классическая электродинамика Квантовая механика Статистическая физика Термодинамика Атомная физика Ядерная физика Физика элементарных частиц Квантовая хромодинамика… Ботаника Зоология Микробиология Генетика Цитология Интеграция наук Биология Биофизика Физика Астрономия Астробиология Физическая химия Биология Физика Химия География Геофизика Биохимия Физика Биология Химия

РАЗДЕЛ 2. ИСТОРИЯ И МЕТОДОЛОГИЯ ЕСТЕСТВОЗНАНИЯ

2. 1. История естествознания. Основные этапы развития науки и естественнонаучные революции Этап истории Открытия 4000 лет до н. э. 3000 лет до н. э Научные догадки египетских жрецов, составление солнечного календаря Предсказание солнечных и лунных затмений китайскими мыслителями 2000 лет до н. э. Разработка семидневной недели и лунного календаря в Вавилоне VII в до н. э. Первые представления о единой естественно-научной картине мира в античный период. Возникновения представлений о материальной первооснове всех вещей. Зарождение школы античных натурфилософов. VI в. до н. э. Создание математической концепции Пифагора V в. до н. э. Атомистическая концепция Левкиппа-Демокрита IV в. до н. э. «Физика» Аристотеля II в. н. э. Геоцентрическая система мира Птолемея 1543 г. Гелиоцентрическая система строения мира Н. Коперника XVII в. Становление механистической картины мира на основе законов механики И. Кеплера и И. Ньютона XIX в. Возникновение электромагнитной картины мира на основе трудов М. Фарадея и Д. Максвелла XX в. Становление современной естественно-научной картины мира

Естественнонаучные революции 1. Создание геоцентрической системы мира 2. Переход от геоцентризма к гелиоцентризму. Полицентризм. 3. Отказ от центризма. Идея относительности. 4. Создание единой физической теории (осуществляется в настоящее время).

Типы научной рациональности Рациональность - способность мыслить и действовать на основе разумных норм. Научная рациональность - это совокупность правил, норм, образцов научно-познавательной деятельности, обеспечивающих научную истинность результата познания 1. Классический тип научной рациональности (XVII в - первая половина XIX в. в. ) 2. Неклассический тип научной рациональности (вторая половина XIX в - начало XX в) 3. Постнеклассический тип рациональности (начало XX в по н. в. )

Становление эволюционного естествознания n Глобальный эволюционизм — это убеждение в том, что как Вселенная в целом, так и отдельные ее элементы не могут существовать, не развиваясь. ЭТАПЫ 1. 18 век. Астрономия Геология 2. 19 век. Биология 3. 20 век. Все естественные и гуманитарные науки

2. 2. Методология научного познания и его уровни Методология – учение о структуре, логической организации, методах и средствах деятельности.

Формы научного знания Теория n Научный факт n Научный закон n Научные принципы n Гипотезы n Категории науки n

Уровни научного познания Эмпирический Теоретический Преимущественно чувственные формы познания Рациональные формы познания Главная задача – описание предметов и явлений Главная задача - объяснение изучаемых явлений Основные формы знания – факты и эмпирические законы Основные формы знания - закон, принцип, научная теория.

Эмпирические методы научного познания Наблюдение n Измерение n Эксперимент n

Теоретические методы научного познания Абстрагирование n Идеализация n Формализация n Индукция n Дедукция n Аналогия n Моделирование n Анализ n Синтез n Классификация n

Современный метод научного познания Схема познания А. Эйнштейна

Принцип цикличности В. Г. Разумовского МОДЕЛЬ СЛЕДСТВИЯ ФАКТЫ ЭКСПЕРИМЕНТ

РАЗДЕЛ 3. ФИЗИЧЕСКАЯ КАРТИНА МИРА

3. 1. Физика – основа естественных наук Физика – наука о природе, изучающая простейшие и вместе с тем наиболее общие свойства материального мира • Законы физики лежат в основе всего естествознания • ФКМ исторически сложилась раньше других естественнонаучных картин мира. Физическая картина мира – представление об универсуме (Вселенной), о мире и его процессах, выработанное физикой на основе эмпирического и теоретического познания. Физическая картина мира – основа современной естественнонаучной картины мира.

3. 2. Масштабы пространства и времени Масштаб пространства Объекты Размеры в метрах Радиус космологического горизонта или видимой нами Вселенной 1026 Диаметр нашей Галактики 1021 Расстояние от Земли до Солнца 1011 Диаметр Солнца 109 Размер человека 100 Длина волн видимого света 10 -7 Размер вирусов 10 -6 -10 -8 Диаметр атома водорода 10 -10 Диаметр атомного ядра 10 -15 Минимальное расстояние, доступное сегодня нашим измерениям 10 -18

Примерные соотношения размеров планет Солнечной системы

Туманность (галактика) Андромеды

Масштабы времени 17 млрд лет (5· 10 17 с) – возраст Вселенной 5 млрд. лет (1, 6· 10 17 с) – возраст Солнца 4, 6 млрд. лет (1, 5· 10 17 с) – возраст Земли 3, 8 млрд. лет (1, 2 · 10 17 с) – время существования жизни на Земле 450 млн. лет (1, 5· 10 16 с ) – возрастительной жизни на Земле 150 млн. лет (5· 10 15 с ) – возраст существования млекопитающих на Земле 3 млн. лет (10 14 с) – возраст человека как биологического вида 10 тыс. лет (3· 10 11 с) – возраст современной цивилизации 1 год (3· 10 7 с) – период вращения Земли вокруг Солнца 1 сутки (8, 6· 10 4 с) – период вращения Земли вокруг своей оси 1 час (3, 6 · 10 3 с) – 1/24 часть суток 1 секунда (10 0 с) – время, равное 9 192 631 770 периодам излучения, соответствующего переходу между двумя сверхтонкими уровнями основного состояния атома цезия -133. 10 -3 с – Вспышка фотокамеры, мерцание оптической «мыши» , время за которое схлопывается мыльный пузырь 10 -6 с – высокоскоростная видеосъемка, время взрыва капсюля патрона 10 -9 с – время одного такта работы процессора, время обращения к оперативной памяти, типичное «компьютерное время» 10 -12 с – период колебаний кристаллической решётки, свертка белка, рекомбинация атомов, типичное «молекулярное время» 10 -15 с – период колебаний ЭМП в световом диапазоне, типичное «электронное время» 10 -18 с – период колебаний ЭМП рентгеновского диапазона, время изменения плотности внутри атома (в результате перемещения электронов) 10 -21 с – типичное время ядерных реакций (распад или синтез ядер) 10 -24 с – время жизни резонансов, столкновение релятивистских ядер в коллайдере

Соотношение времени жизни Вселенной и человека Возникновение Вселенной 0 Возникновение Солнца и Земли Наше время 17 млрд. лет На этой шкале продолжительность жизни человека примерно равна размеру атома (10 -9 м) Глазов 0 Москва 1000 км Если это расстояние принять за возраст Вселенной, то время жизни человека будет примерно равно 1 см

3. 3. Механистическая картина мира Аристотель (384 до н. э. - 322 до н. э. ) 1. Фундаментальный труд «Физика» 2. Понятия: движение, пространство, материя, сила

Галилео Галилей (1564 — 1642 гг. ) 1. Закон инерции 2. Постоянство ускорения свободного падения 3. Принцип относительности 4. Определяет силу как векторную величину 5. Фундаментальный труд «Диалог о двух главнейших системах мира»

Ньютон Исаак (1643 — 1727 гг. ) 1. Законы механики • Первый закон - закон инерции (постулат существования ИСО) • Второй закон • Третий закон 2. Закон всемирного тяготения 3. Вводится понятие инертной и гравитационной массы 4. Фундаментальный труд «Математические начала натуральной философии

Основные понятия и принципы МКМ ПОНЯТИЯ Материя n Движение n Пространство n Время n Взаимодействие n ПРИНЦИПЫ Принцип относительности Галилея n Принцип дальнодействия n Принцип причинности n

Основные понятия МКМ МАТЕРИЯ – это вещество, состоящее из мельчайших, далее неделимых, абсолютно твердых движущихся частиц – атомов (корпускулярная теория). Материя – дискретна. ПРОСТРАНСТВО - «пустое вместилище тел» (по И. Ньютону) § Пространство - трехмерное, непрерывное, бесконечное, однородное, изотропное, абсолютное. § Пространственные отношения в МКМ описываются геометрией Евклида § Свойства пространства не зависят от находящихся в нем тел ВРЕМЯ – понятие, характеризующее сменяемость процессов, их длительность. Время однородно, изотропно, абсолютно

ДВИЖЕНИЕ - изменение положения тела в пространстве с течением времени (механическое движение) Любое сложное движение можно представить как сумму пространственных перемещений (принцип суперпозиции движения) ВЗАИМОДЕЙСТВИЕ - воздействие тел или частиц друг на друга, приводящее к изменению состояния их движения.

Основные принципы МКМ ПРИНЦИП ОТНОСИТЕЛЬНОСТИ ГАЛИЛЕЯ: внутри равномерно движущейся (инерциальной) системы все механические процессы протекают так же, как и внутри покоящейся. В инерциальных системах отсчета все механические явления протекают одинаково. ПРИНЦИП ДАЛЬНОДЕЙСТВИЯ: взаимодействие между телами передается мгновенно, промежуточная среда в передаче взаимодействия участия не принимает.

ПРИНЦИП ПРИЧИННОСТИ: любые события (причины) влекут за собой определенные следствия. Принцип причинности указывает на однонаправленность причинно-следственных связей. Принцип причинности находит отражение в т. н. лапласовском детерминизме. Лапласовский детерминизм: все элементы физического мира связаны между собой причинно-следственными связями (законами). • Лапласовский детерминизм отрицает случайность событий. Лаплас Пьер Симон • Лапласовский детерминизм является философским обобщением ньютоновского детерминизма. (1749 — 1827 гг. ) • Ньютоновский детерминизм: «если я знаю, каково первоначальное состояние системы, то я могу предсказать ее будущее» .

Ньютоновская методология исследований n n Не должно принимать в природе иных причин сверх тех, которые истинны и достаточны для объяснения явлений. ). Одинаковым явлениям следует приписывать одинаковые причины. Независимые и неизменные при экспериментах свойства тел, подвергнутых исследованию, надо принимать за общие свойства материальных тел. Законы, индуктивно (т. е. путем обобщения), выведенные из опыта, нужно считать верными, пока им не противоречат другие наблюдения.

3. 4. Термодинамическая картина мира Предпосылки появления ТКМ 1. В тепловых явлениях нарушается Лапласовский детерминизм: § У одного и того же следствия могут быть разные причины: например, превращение насыщенного пара в жидкость за счет повышения давления или понижения температуры. § При тепловых процессах состояние отдельных частиц (молекул) не отражает состояние системы в целом. § Изменения микропараметров частиц описываются статистическими законами, носящими вероятностный характер 2. Начало промышленной революции, изобретение и изучение принципов действия паровых машин

Основатели ТКМ Фурье Жан Карно Сади Калапейрон Бенуа (1768 -1830) (1796 -1832) (1799 -1864)

Клаузиус Рудольф 1822 -1888 Менделеев Д. И. 1834 -1907

Термодинамика и статистическая физика Термодинамика изучает тепловые процессы без учета молекулярного строения вещества. Статистическая физика изучает тепловые явления на основе молекулярного строения вещества.

Начала (законы) термодинамики ПЕРВОЕ НАЧАЛО Первое начало: количество теплоты, сообщенное газу, идет на увеличение внутренней энергии газа и совершение газом внешней работы. Q = U + A Первое начало термодинамики является по сути законом сохранения энергии в тепловых процессах Вечный двигатель первого рода - воображаемая, непрерывно действующая машина, которая, будучи раз запущенной, совершала бы неограниченно работу без получения энергии извне. Первое начало: вечный двигатель первого рода невозможен.

ВТОРОЕ НАЧАЛО Обратимый процесс – такой, при котором система и все тела, с которыми взаимодействовала система, возвращаются в исходное состояние. Необратимый процесс – процесс, который может самопроизвольно протекать только в одном направлении; в обратном направлении он может протекать только как один из звеньев более сложного процесса. Первый закон термодинамики не объясняет необратимость процессов в природе. Второе начало: невозможен процесс, единственным результатом которого является передача теплоты от менее нагретого тела к более нагретому. Второй закон термодинамики указывает направление возможных энергетических превращений и выражает необратимость процессов в природе.

Тепловой двигатель – машина, превращающая внутреннюю энергию топлива в механическую энергию. Работа, совершаемая тепловым двигателем за цикл, равна разности количества теплоты, взятого от нагревателя и количества теплоты, переданного холодильнику A=Q 1 -Q 2.

Вечный двигатель второго рода - воображаемая периодически действующая машина, целиком превращающая в работу теплоту, извлекаемую ею из окружающих тел (океана, атмосферного воздуха или др. практически неисчерпаемых природных источников теплоты). Второе начало: невозможно создание вечного двигателя второго рода.

ПОНЯТИЕ ЭНТРОПИИ В 1865 г. немецкий физик Рудольф Клаузиус для формулировки второго закона термодинамики ввел новое понятие — "энтропия" (от греч. entropia — поворот, превращение). Клаузиус рассчитал, что существует некоторая величина S, которая подобно энергии, давлению, температуре характеризует состояние газа. Когда к газу подводится некоторое количество теплоты, Q, то энтропия S возрастает на величину, равную S = Q / T. Энтропия системы рассматривается как функция состояния системы: ее. изменение не зависит от вида процесса, а определяется лишь начальным и конечным состоянием системы. Для обратимых процессов энтропия изолированной системы постоянна S=0. Для необратимых процессов энтропия всегда увеличивается S>0. Энтропия системы, находящейся в равновесном состоянии максимальна и постоянна. Третья трактовка Второго начала: энтропия изолированной системы не убывает. Т. о. в природе существуют только такие процессы, в которых энтропия возрастает

ВЕРОЯТНОСТНАЯ ТРАКТОВКА ПОНЯТИЯ ЭНТРОПИИ Макросостояние - состояние макроскопического тела (системы), заданное с помощью макропараметров (параметров, которые могут быть измерены приборами – давление, температура, объем) Объекты на макроскопическом уровне изучает термодинамика. Микросостояние - состояние тела, заданное с помощью описания состояния всех образующих его молекул. Объекты на микроскопическом уровне изучает статистическая физика. Всякое макросостояние может быть осуществлено различными способами, каждому из которых соответствует некоторое микросостояние системы.

С течением времени микросостояния непрерывно сменяют друга. Чем больше число микросостояний, которыми реализуется данное макросостояние, тем большее время (тем чаще) система будет находиться в этом состоянии, соответственно и вероятность данного макросостояния выше. Таким образом, эволюция системы происходит в направлении перехода от маловероятных состояний к состояниям более вероятным. Состояние равновесия системы наиболее вероятно, т. к. реализуется максимально возможным количеством микросостояний (наиболее раз- упорядоченное, хаотичное состояние). Энтропия - мера вероятности осуществления какого-либо макроскопического состояния. (Л. Больцман) Следовательно, энтропия равновесного состояния максимальна. Энтропия - мера беспорядка (хаоса) в системе.

ПРОБЛЕМА ТЕПЛОВОЙ СМЕРТИ ВСЕЛЕННОЙ Из второго начала следует, что любая физическая система, не обменивающаяся энергией с другими системами (замкнутая система), стремится к наиболее вероятному равновесному состоянию — к так называемому состоянию с максимумом энтропии. Такое состояние соответствовало бы тепловой смерти Вселенной (Р. Клаузиус). Этот вывод ошибочен, т. к. в настоящее время Вселенная не рассматривается как замкнутая система.

3. 5. Электромагнитная картина мира начинает формироваться с середины 18 века. Её появление было обусловлено открытиями явлений, объяснение которых не могло быть получено в рамках МКМ и ТДКМ.

ФАКТЫ Существование заряженных тел Два вида зарядов Электростатическая индукция Существование проводников и диэлектриков Опыты Ш. Кулона

ФАКТЫ Наличие магнитных свойств у вещества. Земной Магнетизм. Компас. Электрический ток Открытие электрона Дж. Томсоном Опыт Эрстеда по обнаружению магнитного поля вокруг проводника с током

ФАКТЫ Опыты Ампера по взаимодействию параллельных токов

ФАКТЫ Опыты Фарадея по обнаружению индукционного тока

МОДЕЛЬ Закон сохранения электрического заряда Закон Кулона Электронная модель электрического тока в металлах Концепция близкодействия (М. Фарадей) утверждает, что любое взаимодействие осуществляется посредством особой среды физического поля, и распространяется с конечной скоростью. Понятие ЭМП - особая форма материи, посредством которой осуществляется взаимодействие между электрически заряженными частицами.

МОДЕЛЬ Система уравнений Максвелла Уравнение Утверждение div E q Источником ЭП является электрический заряд. div H = 0 Свободные магнитные заряды в природе отсутствуют. Переменное МП порождает вихревое ЭП (закон Фарадея. ) МП порождается электрическим током проводимости и переменным ЭП

СЛЕДСТВИЯ 1. Предсказание Максвеллом существования ЭМВ. Теоретическое предсказание скорости распространения ЭМВ. 2. Свет – электромагнитная волна. 3. Предсказание существования давления света. 4. Использование ЭМВ для передачи информации. 5. Предсказание возможности создания электромеханического генератора электрической энергии. 6. Предсказание возможности трансформации переменного тока одного напряжения в другое 7. Предсказание возникновения вихревых токов в массивных проводниках (Токи Фуко. ) 8. Закон Ома 9. Закон Джоуля-Ленца Q=IUt 10. Передача электроэнергии на большие расстояния. 11. Предсказание возможности использования электрической силы.

ЭКСПЕРИМЕНТ 1. Опыты Герца по обнаружению ЭМВ и исследованию их свойств.

ЭКСПЕРИМЕНТ 2. Экспериментальное доказательство электромагнитной природы света. 3. Опыты П. Н. Лебедева по измерению давления света.

ЭКСПЕРИМЕНТ 4. Изобретение радио А. С. Поповым. 5. Изобретение генераторов Фарадея, Тесла и др

ЭКСПЕРИМЕНТ 6. Изобретение трансформатора (П. Н. Яблочков, И. Ф. Усагин) 7. Микроволновые и индукционные печи. 8. Расчет и разработка цепей электрического тока. 9. Использование теплового действия тока в осветительных и электронагревательных приборах. Сварка металлов. 10. Высоковольтные ЛЭП. 11. Копировальная техника. Электростатические фильтры.

3. 5. 1. Релятивистская картина мира Специальная теория относительности ФАКТЫ Вопросы классической физики 1. Распространяется ли принцип относительности Галилея на все явления? 2. Как соотнести классический закон сложения скоростей с теорией электродинамики? 3. В какой среде распространяются ЭМВ?

Проблема эфира В классической физике считалось, что для распространения ЭМВ, а следовательно и света, света необходима особая среда - эфир. Относительно эфира высказывались и экспериментально обосновывались три предположения: 1. Эфир совершенно не увлекается движущимися телами (Гипотеза подтверждается опытом Бредли). 2. Эфир увлекается движущимися телами частично. (Гипотеза была подтверждена опытом Физо). 3. Эфир полностью увлекается движущимися телами. (Гипотеза подтверждается опытом Майкельсона-Морли).

МОДЕЛЬ Противоречивость гипотезы существования эфира позволили А. Эйнштейну отказаться от идеи мирового эфира, и создать специальную теорию относительности (СТО) (1905 г. ), основанную на двух постулатах. 1. Принцип относительности (постулат относительности). Все физические процессы протекают одинаково (при одинаковых начальных условиях) в любых инерциальных системах отсчета. Постулат утверждает равноправие всех ИСО: законы природы независимы к выбору системы отсчета. Уравнения, описывающие эти законы имеют одинаковую форму во всех ИСО. 2. Постулат постоянства скорости света. Скорость света в вакууме одинакова для всех инерциальных систем отсчета. Скорость света в вакууме не зависит ни от направления, ни от скорости источника, ни от скорости приемника. В СТО пространство однородно и изотропно, время - однородно, однако время и пространство не являются абсолютными. Пространство и время образуют 4 -мерный пространственно-временной континуум

СЛЕДСТВИЯ 1. Относительность одновременности. События, одновременные в одних ИСО, не одновременны в других ИСО, движущихся относительно первой.

СЛЕДСТВИЯ 2. Относительность промежутков времени. В движущейся системе отсчета время течет медленнее, чем в неподвижной. В этом состоит релятивистский эффект замедления времени. 3. Относительность расстояний. Расстояние не является абсолютной величиной, а зависит от скорости движения тела относительно данной ИСО.

СЛЕДСТВИЯ 4. Релятивистский закон преобразования скоростей. 5. Релятивистский импульс 6. Зависимость энергии и массы Е = mc 2

ЭКСПЕРИМЕНТ Все следствия СТО подтверждаются экспериментально. 1. Ускорители частиц. Синхрофазотрон. 2. Измерение времени жизни движущегося мюона (от рождения до распада) показывает, что оно больше времени жизни покоящейся частицы. 3. Ядерные реакции. Ядерная энергетика. 4. Астрономическое определение скорости света испускаемого вращающимися объектами (двойными звездами или краем солнечного диска). 5. Определение времени в разных ИСО в опытах с атомными часами. 6. Релятивистский эффект Доплера.

Общая теория относительности ФАКТЫ Классическая Ньютоновская теория гравитации не соответствовала принципу относительности Эйнштейна. МОДЕЛЬ Расширенный принцип относительности, все законы природы протекают одинаков в любых системах отсчета (как инерциальных, так и неинерциальных, движущихся с ускорением). Принцип эквивалентности: Все явления в гравитационном поле происходят точно так же как в соответствующем поле сил инерции. Если инертная и гравитационная массы равны, то невозможно отличить, какая сила действует на данное тело — гравитационная или сила инерции. (Мысленный эксперимент с «лифтом Эйнштейна» ).

Общая теория относительности СЛЕДСТВИЯ 1. Искривление пространства вблизи массивных тел 2. Гравитационное замедление времени 3. Черные дыры

Общая теория относительности ЭКСПЕРИМЕНТ 1. Дополнительный сдвиг перигелия орбиты Меркурия по сравнению с предсказаниями механики Ньютона. 2. Отклонение светового луча в гравитационном поле Солнца. Гравитационные линзы Искривление пространства вблизи массивных тел 3. Гравитационное красное смещение было обнаружено в спектрах звёзд и Солнца и надёжно подтверждено в эксперименте Паунда и Ребки. 4. Обнаружение черных дыр.

3. 6. Квантово-полевая картина мира В основе современной КПКМ лежит новая физическая теория – квантовая механика, описывающая состояние и движение микрообъектов. Она является базой для развития современного естествознания. В основе квантовой механики лежат фундаментальные идеи о квантовании физических величин и корпускулярно-волновом дуализме

3. 6. 1. Эволюция квантовых представлений о веществе и поле Физические величины, которые могут принимать лишь определенные дискретные значения, называются квантованными. Их выражение через квантовые числа называется квантованием. Сама идея квантования сформировалась на основе ряда открытий в конце 19 -го – начале 20 -го века.

Объяснение закономерностей теплового излучения Применение классических представлений об ЭМВ к тепловому излучению привело существенному расхождению теории и эксперимента. Из теории следовало, что 1. Энергия теплового излучения на всех частотах равнялась бесконечности, что противоречило закону сохранения энергии. 2. При любой температуре тело должно излучать и терять энергию до тех пор, пока его температура не снизится до абсолютного нуля Расхождение теории от эксперимента наиболее ярко проявилось в области высоких частот ("ультрафиолетовая катастрофа")

Гипотеза М. Планка В 1900 г. Макс Планк для выхода из этой ситуации предложил следующую гипотезу Гипотеза Планка: электромагнитное излучение испускается отдельными порциями – квантами, величина которых пропорциональна частоте излучения E = h , где - частота, а h – постоянная Планка, равная 6, 626 10 -34 Дж с. Теория, построенная на основе гипотезы Планка полностью смогло объяснить закономерности теплового излучения.

Открытие и объяснение явления фотоэффекта 1. 1887 г. Генрих Герц открыл явление фотоэффекта - явления выбивания электронов из вещества под действием света. 2. 1888 г. А. Г. Столетов открыл законы фотоэффекта. 3. 1905 г. Эйнштейн дал теоретическое объяснение фотоэффекта. Гипотеза Эйнштейна: свет не только излучается квантами, но и распространяется и поглощается тоже квантами. Свет представляет собой поток световых частиц (квантов) – фотонов. Таким образом, если в классической физике считалось, что энергия может изменяться непрерывно и принимать любые, сколь угодно близкие значения, то согласно квантовым представлениям, она может принимать лишь дискретные значения, равные целому числу квантов энергии W =n h , где n = 1, 2, 3… - целые числа.

Корпускулярно-волновой дуализм света n 1. Явления, свидетельствующие о волновой природе света: интерференция, дифракция, поляризация, дисперсия. n 2. Явления, свидетельствующие о корпускулярной природе света: фотоэффект, закономерности теплового излучения, эффект Комптона, опыт Боте, опыт Иоффе, опыт Вавилова. n Явление давления света одинаково хорошо обосновывается волновой и корпускулярной теориями света. n Таким образом, свет обладает двойственностью свойств - корпускулярно-волновым дуализмом: свету одновременно присущи как непрерывные (волновые) свойства, так и дискретные (квантовые) свойства.

Открытие строения атома 1. В 1897 г. Дж. Томсоном был открыт электрон. Его заряд оказался наименьшим, элементарным. Заряд любого тела равен целому числу элементарных зарядов. Таким образом, заряд дискретен, а равенство q= ne представляет собой форму квантования электрического заряда. 2. Э. Резерфорд в 1909 -1911 гг. для определения внутренней структуры атома поставил серию экспериментов по рассеянию альфа-частиц в веществе.

Открытие строения атома 3. На основе анализа результатов опыта Резерфорд в 1911 г. предлагает планетарную модель атома.

Открытие строения атома 4. Нильс Бор, для объяснения устойчивости атома, формулирует квантовые постулаты: 1) Атомы существуют в особых стационарных (квантовых) состояниях с определенной энергией. В стационарных состояниях атомы не излучают. 2) При переходе атома из одного стационарного состояния в другое испускается или поглощается один квант энергии, величина которого равна разности энергий стационарных состояний.

Объяснение спектральных закономерностей в атоме водорода 5. Следствия из постулатов Бора позволили получить формулу, подтвержденную экспериментом по изучения спектральных закономерностей в излучении атома водорода (формулу Бальмера)

Становление квантовой механики 6. В 1923 г. Луи де Бройль высказал гипотезу о том, что корпускулярно-волновой дуализм является универсальным свойством любых материальных объектов, а не только света. Это значит, что любое тело массой m, движущееся со скоростью V, может быть охарактеризовано не только координатой в пространстве, импульсом p и энергией E, но и длиной волны :

Становление квантовой механики 7. 1926 г. Шредингер выводит основное уравнение квантовой механики

Становление квантовой механики 8. В 1927 г. Гейзенберг вводит принцип (соотношение) неопределенности: любая физическая система не может находиться в состояниях, в которых координаты её центра инерции и импульс одновременно принимают вполне определённые, точные значения. Т. е. микрочастица, обладая волновыми свойствами, не имеет траектории, а значит, не может иметь одновременно определенных (точных) значений координаты и импульса x p. X h. Аналогичное справедливо и для соотношения энергии и времени E t h.

Основные принципы неклассической физики Принцип дополнительности (Н. Бору): как бы далеко не выходили явления за рамки классического физического объяснения, все опытные данные должны описываться при помощи классических понятий. Для полного описания квантово-механических явлений необходимо применять два взаимоисключающих (дополнительных) набора классических понятий, совокупность которых дает наиболее полную информацию об этих явлениях как о целостных. Принцип дополнительности: всякое истинное явление природы не может быть определено однозначно с помощью слов нашего языка и требует для своего определения, по крайней мере, двух взаимоисключающих дополнительных понятий.

Основные принципы неклассической физики Принцип соответствия: применение новой, более общей теории к предметной области, где справедлива менее общая теория, должно дать те же результаты, что и применение расчетных соотношений последней. Иными словами, классическая теория должна являться предельным частным случаем новой неклассической теории.

3. 6. 2. Физика элементарных частиц Элементарные частицы - микрочастицы, которые невозможно разделить на составные части. Тождественные частицы - частицы одинаковой природы, обладающие одинаковыми физическими свойствами: массой, электрическим зарядом и другими внутренними квантовыми характеристиками (например, все электроны Вселенной считаются тождественными). Принцип неразличимости тождественных частиц: невозможно экспериментально различить тождественные частицы. Спин (от англ. spin - вращаться) - собственный механический момент импульса элементарной частицы, имеющий квантовую природу и не связанный с перемещением частицы в пространстве. Спин это внутреннее, неотъемлемое свойство частиц, подобно массе или электрическому заряду. Протон и нейтрон обладают полуцелым спином 1/2, спин фотона равен 1.

Фермионы и бозоны Все частицы в природе можно разделить на два вида - фермионы и бозоны. Фермионы - частицы с полуцелым спином (подчиняются статистике Ферми-Дирака). Примеры: электрон, протон. . . Бозоны - частицы с нулевым или целочисленным спином (подчиняются статистике Бозе-Эйнштейна). Примеры: фотон, мезоны, куперовские пары. . . Принцип запрета Паули: в одной и той же квантовой системе не может существовать двух фермионов в одинаковых квантовых состояниях. На бозоны принцип Паули не распространяется.

Античастица - элементарная частица, имеющая (по отношению к частице) равную массу покоя, спин, время жизни и противоположный заряд. Примеры: электрон-позитрон, протон-антипротон, нейтронантинейтрон. Аннигиляция - процесс взаимодействия элементарной частицы с её античастицей, в результате которого они превращаются в электромагнитное излучение гамма-кванты) или кванты других полей. Аннигиляция протона и антипротона

Рождение пары - процесс, обратный аннигиляции. Так, например, при рассеянии гамма-кванта на атомном ядре может возникнуть электрон-позитронная пара. Фундаментальным свойством элементарных частиц является возможность взаимного превращения частиц вещества и частиц (квантов) поля.

Фундаментальные взаимодействия Фундаментальными называют взаимодействия, которые не могут быть сведены к другим, более простым взаимодействиям.

Диаграммы Фейнмана – наглядное представление картины взаимодействия в квантовой физике. Взаимодействие двух электронов Бета-распад нейтрона

Классификация элементарных частиц Элементарные частицы можно классифицировать по видам взаимодействий, в которых они участвуют. В этом случае выделяют два класса частиц - лептоны и адроны. ЭЛЕМЕНТАРНЫЕ ЧАСТИЦЫ ЛЕПТОНЫ элементарные частицы, не участвующие в сильном взаимодействии АДРОНЫ элементарные частицы, участвующие в сильном взаимодействии.

Лептоны К лептонам относят 6 частиц и 6 их античастиц n Нейтрино - электрически нейтральная элементарная частица с массой покоя много меньшей массы электрона. n Все нейтрино и электрон являются стабильными частицами. n Все лептоны являются фермионами.

Адроны § Адроны делятся на 2 группы - мезоны и барионы. § Мезоны - бозоны (частицы с целым спином), участвующие в сильном взаимодействии. § Барионы - фермионы (частицы с полуцелым спином), участвующие в сильном взаимодействии. § Барионы, в свою очередь, делятся на нуклоны и гипероны. § Кроме этих частиц выделяют группу короткоживущих частиц (со временем жизни 10 -22 -10 -24 с - мезонные и барионные резонансы.

Кварки Все адроны состоят из кварков. n Кварки - фермионы с дробным электрическим зарядом. n Различные типы кварков называют ароматами. n Всего существует 6 ароматов (и еще столько же антикварков). n Ароматы кварков

Кварковая модель адронов Протон можно представить как p=uud, а нейтрон n=udd. Антипротон состоит из антикварков.

Цветовой заряд кварков Каждый аромат кварка может находится в трех разных квантовых состояниях, которые принято обозначать цветами: красным (R), зеленым (G) синим (B). Антикварки имеют антицвет. Механику кварков называют квантовой хромодинамикой. Цветовой заряд характеризует взаимодействие кварков, однако сами адроны бесцветны: p=u. R u. G d. B.

Кварк-глюонное взаимодействие Взаимодействие кварков осуществляется глюонами. Глюоны - безмассовые частицы со спином 1, электрически нейтральные, несущие цветовой заряд. Всего существует 8 глюонов (6 из них несут "цвет"и "антицвет", 2 глюона бесцветные). При испускании или поглощении глюона кварк меняет свой цвет, при этом аромат кварка остаётся неизменным. В свободном состоянии кварки обнаружить невозможно.

Кварки могут участвовать и в слабом взаимодействии. В этом случае меняется аромат кварка, а его цвет остаётся неизменным.

Кварк-лептонная симметрия мира Существование шести лептонов и шести кварков позволяет говорить о кварк-лептонной симметрии мира.

Стандартная модель Станда ртная моде ль — теоретическая конструкция в физике элементарных частиц, описывающая электромагнитное, слабое и сильное взаимодействие всех элементарных частиц. Стандартная модель не включает в себя гравитацию. Основные положения Стандартной модели § Всё вещество состоит из 24 фундаментальных фермионов: 6 лептонов 6 кварков и 12 соответствующих им античастиц. § Кварки участвуют в сильных, слабых и электромагнитных взаимодействиях; заряжённые лептоны (электрон, мюон, тау-лептон) — в слабых и электромагнитных; нейтрино — только в слабых взаимодействиях. § Частицами-переносчиками взаимодействий являются: 8 глюонов для сильного взаимодействия; 3 тяжёлых бозона (W+, W−, Z 0) для слабого взаимодействия один фотон для электромагнитного взаимодействия.

Теория Великого объединения (ТВО) — в физике элементарных частиц группа теоретических моделей, описывающих единым образом сильное, слабое и электромагнитное взаимодействия. Предполагается, что при чрезвычайно высоких энергиях (выше 1014 Гэ. В) эти взаимодействия объединяются. Теория Всего – физические теории, объединяющие все 4 типа взаимодействия. Пространство Калаби-Яу

Изучение элементарных частиц n Ускорители элементарных частиц - класс устройств для получения заряженных частиц высоких энергий. n Большой адронный коллайдер (ЦЕРН) - длина основного кольца ускорителя составляет 26 659 м.

РАЗДЕЛ 4. КОСМОЛОГИЧЕСКАЯ КАРТИНА МИРА

4. 1. Структурные уровни материи N Глобальные уровни Структурные элементы 1. 1. Элементарные частицы Характерные размеры (м) 10 – 18 2 Макромир 10 – 15 – 10 10 – 6 2. 1. Броуновские частицы (пыльца) Микромир 1. 2. Ядра, атомы 1. 3. Молекулы, макромолекулы 1 10 – 6 – 10 – 5 2. 2. Земные тела 2. 3. Земля 1 – 10 3 10 6 – 10 7 3. 1. Звезды и звездные системы 3 МЕГАМИР 10 10 – 10 12 3. 2. Галактики и их скопления 10 19 – 10 23 3. 3. Метагалактика 10 26

4. 2. Основные понятия космологической картины мира n n n Вселенная – весь окружающий мир, бесконечно разнообразный по тем формам, которые принимает материя в процессе своего развития. Метагалактика - часть наблюдаемой Вселенной, доступной для изучения современными астрономическими методами. Галактика – гигантская звездная система, насчитывающая более 100 млрд звезд. Астрономия – наука о строении и развитии космических тел, их систем и Вселенной в целом. Космоло гия – раздел астрономии, изучающий Вселенную как единое целое и космические системы как ее части.

n n n Звезды – гигантские раскаленные самосветящиеся небесные тела. Планеты – холодные небесные тела, которые обращаются вокруг звезды. Спутники (планет) – холодные небесные тела, которые обращаются вокруг планет Астероиды (или малые планеты) – небольшие холодные небесные тела, входящие в состав Солнечной системы. Имеют диаметр от 800 км до 1 км и менее, обращаются вокруг Солнца по тем же законам, по которым движутся и большие планеты. Кометы – небесные тела, входящие в состав Солнечной системы. Имеют вид туманных пятнышек с ярким сгустком в центре – ядром. Ядра комет имеют маленькие размеры – несколько километров. У ярких комет приближении к Солнцу появляется хвост в виде светящейся полосы, длина которого может достигать десятков миллионов километров.

n n n Астрономическая единица (а. е. ) соответствует расстоянию от Земли до Солнца – 150 млн км. . Световой год – расстояние, которое световой луч, движущийся со скоростью 300 000 км/с, проходит за один год, – 1013 км; 1 а. е. равна 8, 3 световой минуты. Парсек (пк) – расстояние, равное 3, 3 светового года.

4. 3. Основные космологические принципы n 1) Принцип универсальности: фундаментальные законы природы (законы физики), установленные и проверенные в лабораторных экспериментах на Земле, остаются верными и для всей Вселенной, все явления могут быть объяснены на основе этих законов; n 2) Принцип Коперника – наше положение во Вселенной не является центральным, выделенным. n 3) Антропный принцип: «Мы видим Вселенную такой, потому что только в такой Вселенной мог возникнуть наблюдатель, человек» n 4) Главный космологический принцип — каждый наблюдатель в один и тот же момент времени, независимо от места и направления наблюдения обнаруживает во Вселенной в среднем одну и ту же картину.

4. 4. Космологические модели Вселенной 1. Классическая космология (И. Ньютон): Вселенная бесконечна, неизменна в ней содержится бесконечное количество небесных тел. Время и пространство – абсолютны В ньютоновской космологии возникали два парадокса, связанные с постулатом бесконечности Вселенной: 1) Гравитационный: если Вселенная бесконечна и в ней существует бесконечное количество небесных тел, то сила тяготения будет бесконечно большая, и Вселенная должна сколлапсировать, а не существовать вечно. 2) Фотометрический: если существует бесконечное количество небесных тел, то должна быть бесконечная светимость неба, чего не наблюдается.

2. Современная релятивистская космология n n Основана на теории гравитации и ОТО Уравнение тяготения Эйнштейна выглядит уравнения следующим образом: Уравнение тяготения Эйнштейна имеет не одно, а множество решений, чем и обусловлено наличие многих космологических моделей Вселенной

МОДЕЛИ ВСЕЛЕННОЙ СТАЦИОНАРНАЯ ВСЕЛЕННАЯ (А. Эйнштейн, 1917 г. ) - Кривизна пространства постоянна - Структура пространства не меняется со временем - Время существования Вселенной бесконечно - Пространство безгранично и конечно НЕСТАЦИОНАРНАЯ ВСЕЛЕННАЯ (А. Фридман, 1922 г. ) Расширяющаяся Вселенная - пространство безгранично и бесконечно - Кривизна изменяется - плотность материи Вселенной меньше критического значения (10 -26 кг/м 3) Сжимающаяся Вселенная - пространство безгранично и конечно - Кривизна изменяется - плотность материи Вселенной больше критического значения (10 -26 кг/м 3)

Открытие Э. Хабблом разбегания галактик n Открытие разбегания галактик стало возможно на основе анализа спектра звезд и эффекту Допплера.

n В 1929 г. американский астроном Хаббл обнаружил, что линии и спектрах многих галактик смещены к красному концу спектра. Расстояние между нашей Галактикой и другими галактиками увеличивается

Закон Хаббла V = H r V – линейная скорость галактики, км/с, r – расстояние до нее, измеряемое в мегапарсеках (Мпк). Н – постоянная Хаббла. По современным данным 50 < H <100 км/(с Мпк). Время t = 1/Н, называемое космологическим временем, позволяет сравнивать эволюцию объектов, находящихся в разных частях Вселенной. Из закона Хаббла следует, что, чем дальше галактики находятся друг от друга, тем с большей скоростью они разбегаются. Расширение Метагалактики говорит о том, что Вселенная нестационарна, она изменяется, эволюционирует

4. 5. Возникновение и эволюция Вселенной n Вселенная образовалась в результате Большого взрыва примерно 13 -17 млрд. лет назад из сингулярности - особого возбужденного вакуумподобного состояния, обладающего большой размерностью и большой плотностью энергии. Согласно теоретическим расчетам радиус Вселенной в первоначальном состоянии был равен порядка 10 -15 м.

Сценарий Большого Взрыва Температура Время Событие Проявление квантовой гравитации Синтез кварков и лептонов 100 c лет 3 K Ядерный синтез Разъединение вещества и излучения, выделение реликтового фона Структурирование Вселенной лет ? ? ? Энергия

Открытие реликтового фона Вселенной n Реликтовое излучение – электромагнитное излучение, заполняющее наблюдаемую часть Вселенной. n Реликтовое излучение соответствуют излучению абсолютно чёрного тела с температурой 2, 7 К. n Реликтовое излучение было обнаружено в 1965 в радиодиапазоне электромагнитного излучения на длине волны 7, 35 см

Открытие реликтового излучения подтвердило предложенную в 1946 г. Г. А. Гамовым (модель горячей Вселенной), согласно которой Вселенная на ранние стадиях расширения характеризовалась не только высокой плотностью, но и высокой температурой, достаточной для протекания ядерных реакций синтеза лёгких элементов.

4. 6. Эволюция и строение галактик n 1. Эллиптические галактики обладают пространственной формой эллипсоида с разной степенью сжатия. Они являются наиболее простыми по структуре: распределение звезд равномерно убывает от центра.

n 2. Спиральные галактики представлены в форме спирали, включая спиральные ветви. Это самый многочисленный вид галактик, к которому относится и наша Галактика — Млечный Путь.

n 3. Неправильные галактики не обладают выраженной формой, в них отсутствует центральное ядро.

n n n Эволюция Галактики начинается со стадии газового облака приблизительно сферической формы, облако состоит из водорода, оно неоднородно. Отдельные сгущения газа, двигаясь, сталкиваются друг с другом. Потеря кинетической энергии сгущениями приводит к сжатию облака к оси вращения полем тяготения. Если облако вращается быстро, получается спиральная галактика, если медленно – эллиптическая галактика.

4. 7. Эволюция звезд n n Большинство отдельных звёзд во Вселенной имеют массу от 0, 08 до 50 солнечных масс. Размеры Солнца 1, 392· 109 м. Масса Солнца 2 *1030 кг Плотность 1409 кг/м³

Стадии жизни и типы звезд n n n n n Газо-пылевое облако (глобула) Протозвезда Молодая звезда Красный гигант Белый карлик Красный карлик Черный карлик Новая (сверхновая) звезда Нейтронная звезда Черная дыра

Диаграмма Герцшпрунга – Рассела

Эволюция Солнца

Взрыв сверхновой