КОНЦЕПЦИЯ СОВРЕМЕННОГО ЕСТЕСТВОЗНАНИЯ БАЗОВЫЙ КУРС ЛЕКЦИЙ ЛЕКЦИЯ 2

ТЕМА 2. ОСНОВНЫЕ ЭТАПЫ РАЗВИТИЯ ЕСТЕСТВОЗНАНИЯ 1. Натурфилософия как первая историческая форма знания Субстрат — общая материальная основа всех процессов и явлений. 1 этап. VII-VI вв. до н. э. Фалес из Милета, живший в 640— 564 до н. э. Анаксимандр — ученик Фалеса (640— 547 до н. э. )

Гераклит (540— 480 до н. э. ) Точное знание обогатилось тремя великими идеями Гераклита: идеей вечного движения; идеей единства Вселенной; идеей закономерности явлений. Великолепно сопоставление Гераклитом жизненного процесса с водным потоком: «В ту же реку мы вступаем и не вступаем, существуем и не существуем» ; «Нельзя в ту же реку войти дважды» ; «Рассеивается и вновь собирается, приходит и уходит» ; «Холодное нагревается, горячее охлаждается, влажное сохнет, сухое увлажняется»

2 этап. V в. до н. э Эмпедокл из Агригента (490— 430 до н. э. ) основу существования всех веществ - соединение и разложение огня, воздуха (эфира), воды и земли Анаксагор из Клазомен (в Малой Азии) (500— 428 до н. э. ) считал, что человеческое тело, пища — все состоит из «семян» , делимых до бесконечности частиц

3 этап. Естествознание IV в. до н. э. Левкипп считается одним из создателей античной атомистики Демокрит (ок. 460 до н. э. — ок. 370 до н. э. ) в основе мироздания лежат атомы, которые неделимы, подвижны, отличаются по форме и положению в пространстве. Хендрик Тербрюгген, «Смеющийся Демокрит» (1628)

4 этап. V— IV в. до н. э. Гиппократ (460— 370 до н. э. )

5 этап. Естествознание IV-III вв. до н. э. Платон (428— 348 до н. э. ) создал учение о том, что все компоненты Вселенной упорядочил Бог. Аристотель (384— 322 до н. э. ) материя превращается в действительность только в результате его соединения с формой, формы же берут свое начало от Бога Теофраст (372— 287 до н. э. ) создал классификацию растений

6 этап. Завершение материалистических воззрений Древней Греции Эпикур (341— 270 до н. э. ) основа познания - ощущения, которые сами по себе всегда истинны, так как исходят из объективной реальности Лукреций (99— 55 до н. э. ) провозглашает основные положения материализма

7 ЭТАП. СРЕДНЕВЕКОВЬЕ И ЭПОХА ВОЗРОЖДЕНИЯ Николай Коперник (1473 -1543 гг. ) Галилео Галилей (1564 -1642 гг. ) Джордано Бруно (1548 -1600 гг. ) Леонардо да Винчи (1452 -1519 гг. )

8 ЭТАП. XVI-XVII ВВ. Ф. Бекон (1561 -1626) Декарт (1596 -1650)

9 ЭТАП. XVII-XIX ВВ. Лейбниц (1646 -1716) И. Кант (1724 -1804) Д. Дидро (1713 -1784) Д’Аламбер (1717 -1783) П. Лаплас (1749 -1827) Г. Гегель (1770 -1831)

10 ЭТАП. XIX В И КОНЕЦ НАТУРФИЛОСОФИИ Закон сохранения энергии (Джоуль, Гельмгольц) Учение об электромагнитном поле (Фарадей) Клеточная теория (Шванн) Эволюционная теория (Дарвин)

ТЕМА 3 МЕХАНИКА НЬЮТОНА И ЭЛЕКТРИЧЕСТВО

1027 1 м МЕГАМИР 10– 15 макромир микромир

МЕХАНИЧЕСКА Я КАРТИНА МИРА Механика Ньютона конец 17 в. Гипотез не измышляю

Математические начала натуральной философии 1687

ЗАКОНЫ НЬЮТОНА ДЛЯ ДВИЖЕНИЯ ТЕЛ 1. Закон инерции (= принцип инерции Галилея) 2. 3.

ПРИРОДА ТЯГОТЕНИЯ Ньютон был первым, кто предположил, что сила, заставляющая тела падать на Землю и сила, управляющая движением планет – одна и та же Первое доказательство – из вычисления ускорения свободного падения Луны. Оно оказалось равным g

ЗАКОН ВСЕМИРНОГО ТЯГОТЕНИЯ G = 6, 6742 · 10– 11

гравитационная масса инерционная масса Р А В Н Ы что не тривиально

ПРИНЦИПЫ МЕХАНИЧЕСКОЙ КАРТИНЫ МИРА

1. ПРОСТРАНСТВО И ВРЕМЯ

Пространство и время абсолютны – «вместилище тел» Свойство вытекает из Галилеевского принципа относительности – отсутствия выделенной СО

ДВЕ АНТИЧНЫЕ КОНЦЕПЦИИ ПРОСТРАНСТВА Аристотель – пространство и время – свойства материи «природа не терпит пустоты» Атомисты (Демокрит) – существует пустое пространство, в котором атомы движутся

Раньше считали, что, если какимлибо чудом все материальные вещи исчезли бы вдруг, то пространство и время остались бы. Согласно же теории относительности, вместе с вещами исчезли бы и пространство и время Эйнштейн

АБСОЛЮТНОЕ ПРОСТРАНСТВО НЬЮТОНА Трехмерно Непрерывно (бесконечно делимо) Бесконечно Однородно – свойства пространства не зависят от перемещения системы отсчета в другую точку Изотропно – свойства пространства не зависят от направления системы отсчета Свойства описываются геометрией Евклида

АБСОЛЮТНОЕ ВРЕМЯ НЬЮТОНА Одномерное Непрерывное Однородное – нет «выделенного» момента времени, законы физики не изменятся от перемещения в другую точку на стреле времени) НЕизотропное Время имеет направление. Хотя в рамках механики наличие избранного направления у времени необъяснимо – ее законы инвариантны относительно него.

2. ВЗАИМОДЕЙСТВИЕ Основной вид взаимодействия в механической картине мира – гравитационное

ПРИНЦИПЫ ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ ТЕЛ принцип дальнодействия взаимодействия между телами на расстоянии передается через пустоту с бесконечно большой скоростью принцип причинности – каждое явление имеет причину, и само является причиной следующих. Таким образом все события – это цепочки причин -следствий – детерминизм

ДЕТЕРМИНИЗМ НЬЮТОНА Начальное состояние механической системы (совокупность положений и скоростей имеющих неизменные массы материальных точек) однозначно определяет всё движение

В историю науки детерминизм вошел в формулировке Лапласа, данной через 100 лет после Ньютона Пьер-Симон Лаплас 1749 — 1827

ДЕМОН ЛАПЛАСА Интеллект, который в данное мгновение знал бы все силы, действующие в природе, и положение всех вещей, из которых состоит мир, – будь он настолько огромным, чтобы подвергнуть все эти данные анализу, одной формулой охватил бы движения, как самых больших тел вселенной, так и самых крошечных атомов: для него не было бы ничего неопределённого, а будущее, равно как и прошлое предстояло бы пред его глазами

СВОЙСТВА ПРОСТРАНСТВАВРЕМЕНИ И ЗАКОНЫ СОХРАНЕНИЯ

СВОЙСТВА ПРОСТРАНСТВА И ВРЕМЕНИ И ЗАКОНЫ СОХРАНЕНИЯ однородность времени закон сохранения энергии однородность пространства закон сохранения импульса изотропность пространства закон сохранения момента импульса

СВОЙСТВА ПРОСТРАНСТВА И ВРЕМЕНИ И ЗАКОНЫ СОХРАНЕНИЯ Теорема Нётер если какое-то свойство системы не меняется при каких-либо преобразованиях переменных, то ему соответствует некоторый закон сохранения. Эмма Нётер, 1919

НЕ ВСЕ ПРЕОБРАЗОВАНИЯ СИММЕТРИЧНЫ ОТНОСИТЕЛЬНО ЗАКОНОВ ПРИРОДЫ Им не является преобразование масштаба Пространство-время не обладает зеркальной симметрией (бэта-распад, биологические системы)

ИЗУЧЕНИЕ ВТОРОГО ФУНДАМЕНТАЛЬНОГО ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ – ЭЛЕКТРОМАГНИТНОГО Началось ~ через 100 лет после Ньютона

Электрические и магнитные силы известны с античности Электрон – янтарь (греч. ) Магнезия – греческий город, где были залежи магнитного железняка Рассматривались как два разных явления Искры Молнии. Магниты Магнитное поле Земли

Компас древних мореплавателей Известен в Европе с 11 века

О том, что это – тоже электричество – не догадывались вплоть до Максвелла

середины 18 века – научные исследования электричества С Обнаружено, Закон что заряды бывают (+) и (–) сохранения электрического заряда В замкнутой системе суммарный заряд сохряняется Закон Кулона – 1785

ЗАКОН КУЛОНА Силы Кулона существенны на расстояниях 10– 15 м ядро атома Сильное взаимодействие 10– 9 м большие молекулы Гравитация

На малых расстояниях электрические силы намного сильнее гравитационных ē r сила тяготения электрическое отталкивание ē = 1 4, 17· 1042 – отношение диаметра Вселенной к диаметру протона

1820 – Ханс Эрстед случайно открывает, что Электрический ток создает магнитное поле Считавшиеся раньше различными явления взаимосвязаны N S S N

Начало 19 века Понятие поля Закон электромагнитной индукции – переменные поля способны распространяться в пространстве, порождая «бестелесную» электромагнитную волну Это был ум, который никогда не погрязал в формулах Эйнштейн Michael Faraday 1791 – 1867

1860 -Е МАКСВЕЛЛ James Clerk Maxwell 1831 — 1879 Памятник в Эдинбурге

Максвелл построил математически строгую теорию, которая давала теоретическое обоснование открытым Фарадеем законам. Электромагнитное поле, распространяющееся в вакууме стало новой физической реальностью

УРАВНЕНИЯ МАКСВЕЛЛА div E = 4πρ div H = 0 Электрическое поле, соответствующее какому-либо распределению заряда, определяется из закона Кулона Магнитные заряды не существуют Е – вектор напряженности электрического поля Н – вектор напряженности магнитного поля ρ – плотность электрического заряда

УРАВНЕНИЯ МАКСВЕЛЛА div E = 4πρ div H = 0 rot E = – rot H = j – вектор плотности тока Переменное магнитное поле возбуждает электрический ток j Магнитное поле возбуждается токами и переменными электрическими полями

СЛЕДСТВИЕ ИЗ УРАВНЕНИЙ МАКСВЕЛЛА Изменяющееся со временем электрическое поле, должно порождать магнитное поле А это переменное магнитное поле, в свою очередь, должно порождать электрическое поле Таким образом, электрическое и магнитное поля как бы «проталкивают» друга через пустое пространство

РЕШЕНИЕ УРАВНЕНИЙ МАКСВЕЛЛА ДЛЯ ВАКУУМА (НЕТ НИ ЗАРЯДОВ, НИ ТОКОВ) Скорость распространения электромагнитной волны μ 0 и ε 0 - электрическая и магнитная постоянные в вакууме

РЕШЕНИЕ УРАВНЕНИЙ МАКСВЕЛЛА ДЛЯ ВАКУУМА Вычисленная таким образом скорость распространения электромагнитной волны совпала со скоростью света с = 2. 9979· 108 ≈ 3 · 108 м/с Вывод: Свет – это электромагнитные волны

Из теории Максвелла следовало, что должны существовать электромагнитные волны и другой длины, кроме видимых глазом. 1888 Генрих Герц открывает радиоволны Первый радиопередатчик – «беспроводное электричество» Heinrich Hertz 1857 - 1894

1896 Первая в мире радиограмма «Генрих Герц» А. С. Попов

ГЕНЕРАЦИЯ И ВОСПРИЯТИЕ ЭЛЕКТРИЧЕСКОГО ПОЛЯ Криворылый гнатонем Веслонос Молотоголовая акула Утконос Рыба-пила Ехидна

ГЕНЕРАЦИЯ И ВОСПРИЯТИЕ ЭЛЕКТРИЧЕСКОГО ПОЛЯ

ЧАСТОТА И ДЛИНА ВОЛНЫ частота 1 Гц (герц) = λ 1 сек длина В единицах длины – нм, см, м

Частота видимого света 3· 1014 — 3· 1015 Гц

В СПЛОШНЫХ СРЕДАХ СКОРОСТЬ СВЕТА МЕНЬШЕ, ЧЕМ В ВАКУУМЕ nвоздуха = 1, 0003 nводы = 1, 33 Показатель преломления среды nалмаза = 2, 42 nкремния = 4, 0

ПРОТИВОРЕЧИЯ механики Ньютонаи теории Максвелла Принцип дальнодействия Гравитация передается мгновенно, т. е. с бесконечной скоростью близкодействия Волна передается с огромной, но конечной скоростью 300 000 км/с Следовательно, эти взаимодействия не могут быть проявлением одного фундаментального закона природы – два начала, что плохо.

ПРОТИВОРЕЧИЯ механики Ньютонаи теории Максвелла Принцип Неинвариантность относительности Все физические законы инвариантны относительно инерциальных систем отсчета относительно преобразований Галилея Из уравнений Максвелла следовало постоянство скорости света с в любой системе отсчета