ЛЕКЦИЯ 5. Фундаментальные принципы и обобщенные положения современного физического естествознания
5. 1. Концепции пространство и время 5. 2. Принципы относительности движения — классический, релятивистский и к средствам наблюдения 5. 3. Концепции корпускулярности, континуальности и корпускулярно-волнового дуализма 5. 4. Концепции симметрии, инвариантности и законы сохранения 5. 5. Концепции физического вакуума 5. 6. Основополагающие принципы и понятия физического естествознания
5. 1. Концепции пространство и время
Пространство и время (философы) — всеобщие формы существования материи, не существующие вне материи и независимо от нее. Пространство — математическая, физическая и философская категория. Время — физическая (естественнонаучная) и философская категория, как форма существования материи, заключающаяся в закономерной координации сменяющих друга явлений.
Евклидово пространство - приближенный абстрактный образ реального физического пространства. (Пространства Лобачевского, Римана, Гильберта, Жюлиа, Хаусдорфа, Мандельбро. Та и другие)
Две концепции совместного рассмотрения пространства и времени Древние атомисты — Демокрит, Эпикур, Лукреция, позднее – Ньютон: пустое однородное и бесконечное пространство, время - как субъективное ощущение действительности. Аристотель, позднее – Лейбниц: Заполненное мировое пространство (без пустоты), тождество протяженной материи и пространства.
Ньютон Пространство и время - особые начала, существующие независимо от материи и друг от друга.
Пространство Ньютона Абсолютное пространство - пустое «вместилище тел» , оно неизмеримо и непознаваемо. Протяженность тел — их основное свойство, благодаря которому они занимают определенные места в абсолютном пространстве, совпадают с этими местами. Положения тел и расстояния между ними можно определить только по отношению к другим телам.
Время Ньютона Время абсолютно - чистая длительность, равномерно текущая от прошлого к будущему. Оно является пустым «вместилищем событий» , которые могут его заполнять, а могут и не заполнять, ход событий не влияет на течение времени. Время универсально, непрерывно, бесконечно, одномерно. Относительное или обыденное время.
Парадокс ньютонова пространства и времени - не существует опытов, которые позволили бы измерять положение тела в пространстве или момент времени события — экспериментально можно измерять только расстояния между телами или промежутки времени между событиями. тело, для начала отсчета расстояний, момент времени, для начала отсчета его промежутков система отсчета. Ньютонова наука о движении — механика.
Лейбниц Пространство и время не есть самостоятельные начала бытия.
Пространство Лейбница — это порядок взаимного расположения множества тел, сосуществующих вне друга
Время Лейбница — порядок сменяющих друга явлений или состояний тел. Протяженность любого объекта не есть первичное свойство, а обусловлено силами, действующими внутри объекта; внутренние и внешние взаимодействия определяют и длительность состояния. Время отражает причинно-следственную связь явлений.
4 концепции времени 1) Субстанциальная концепция - рассматривает время как особую субстанцию, субстрат, наряду с пространством, веществом и другими физическими характеристиками. 2) Реляционная концепция считает время отношением (или системой отношений) между физическими событиями.
4 концепции времени 1) Статическая концепция считает события прошлого, настоящего и будущего существующими реально и в известном смысле одновременно, а становление и исчезновение материальных, физических объектов — это иллюзия, возникающая в момент осознания того или иного изменения. 2) Динамическая концепция, напротив, считает, что реально существуют только события настоящего времени, события прошлого уже реально не существуют, а события будущего еще реально не существуют.
Концепция поля - форма материальной объектами вещества, связи - самостоятельная форма материи. Эфир. между
Специальная теория относительности Герман Минковский (съезд естествоиспытателей в 1908 году): «Воззрения на пространство и время. . . возникли на экспериментально-физической основе. В этом их сила. Их тенденция радикальна. Отныне пространство само по себе и время само по себе должно обратиться в фикцию и лишь некоторый вид соединения обоих должен еще сохранить самостоятельность» . - единство пространства и времени, их объединение в пространство-время с четырьмя измерениями или координатами. исключает представления о пустых (свободных) пространстве и времени, имеющих какие-то собственные измерения.
Общая теория относительности - пространственно-временные отношения зависят от концентрации масс, от распределения материи. Несостоятельность как воззрений Канта, определившего пространство и время как априорные формы человеческого восприятия, природа которых неизменна и независима от материи, так и несостоятельность догматических воззрений Ньютона на абсолютное пространство и время.
5. 2. Принципы относительности движения — классический, релятивистский и к средствам наблюдения
Движение - важнейший атрибут материи, способ ее существования. Движение — «. . . это изменение вообще» (немецкий философ Карл Маркс), любое взаимодействие материальных объектов. Философская категория, отражающая процессы воздействия объектов друг на друга и их взаимную обусловленность, порождение одним объектом другого. Взаимодействие — универсальная форма движения и развития, оно определяет существование и структурную организацию любой материальной системы.
Универсальность движения Аристотель: «Незнание движения необходимо влечет за собой незнание природы» . Немецкий философ Георг Гегель - общие законы изменения (движения) — закон перехода количественных изменений в качественные, закон борьбы противоположностей и закон отрицания.
Противоречивость движения - неразрывное единство противоположных аспектов — изменчивости и устойчивости, прерывности и непрерывности, абсолютного и относительного, перемещения и покоя. В противоречивом единстве изменчивости и устойчивости, например, ведущую роль играет изменчивость, ибо все новое появляется через нее, а устойчивость, покой лишь фиксирует достигнутое в этом процессе.
Движение как физическое явление происходит в пространстве и времени. Ньютон - состояние физических объектов (тел) и законы движения. Процедура создания (разработки) теории: сначала определяются объекты как физические или другие естественнонаучные понятия в пространстве и времени, затем вводятся их состояния и, наконец, задаются или выводятся законы эволюции (изменения, динамики) этих состояний в указанном пространстве и времени.
Принцип относительности Первый ньютонов закон движения — закон инерции, выведенный из экспериментов еще Галилео Галилеем, выражен в явно относительной. Состояния покоя и прямолинейного равномерного движения оказываются равноправными в зависимости от состояния движения тела (тела отсчета), с которого производится наблюдение. Классический (Галилеев) принцип относительности.
Релятивистский принцип относительности Академик Логунов сформулировал обобщенный принцип относительности, который приведен ниже. «Какую бы физическую систему отсчета мы ни избрали (инерциальную или неинерциальную), всегда можно указать бесконечную совокупность других систем отсчета, таких, что все физические явления в них протекают одинаковым образом с исходной системой отсчета, так как мы не имеем и не можем иметь никаких средств, чтобы различить на эксперименте, в какой именно системе отсчета, из этой бесконечной совокупности, мы находимся. Следует особо подчеркнуть, что любой физический процесс позволяет определить, находимся мы в инерциальной или в неинерциальной системе отсчета. Однако никакой физический эксперимент не в силах дать ответ на вопрос: в какой именно системе из бесконечного набора систем отсчета мы находимся» .
Принцип относительности к средствам наблюдения — этап неклассической науки- неконтролируемое влияние человека на результаты эксперимента, потеря достоверной (лапласовской, детерминистской) предсказательности науки и замене ее на вероятностное предсказание.
5. 3. Концепции корпускулярности, континуальности и корпускулярноволнового дуализма
Начало XX века Два элемента (объекта) — частицы (корпускулы) и поля (континуум). Частицы - маленькие объекты материи, движущиеся по законам Ньютона. - 3 степени свободы (координаты) - зависимость координат (местоположение) их от времени Поля - непрерывное континуальное распределения какой-либо физической величины. - бесконечно большое число величин (характеристик) в каждый из моментов времени; бесконечное число степеней свободы.
Различие между частицами и полями Частицы — дискретны, поля — непрерывны. Электромагнитное поле (оно же свет) - набор (пакет) волн, порождается и поглощается, в то время как для материальных тел возникновение и уничтожение чуждо. Волны, накладываясь друг на друга, могут усилить, ослабить или вообще погасить себя, тогда как с потоками частиц такового не происходит.
Корпускулярно-волновой дуализм Макс Планк - квант излучения. Эйнштейн - акт поглощения, дискретность излучения и поглощения связана с внутренними свойствами актов излучения и поглощения. В каждом из этих актов участвует квант поля — особая «частица» , названная фотоном. Полю оказались присущи черты дискретности. Подобно частице (корпускуле), фотон всегда существует как единое целое. Однако, фотон обладает также более «родными» , волновыми свойствами. Двуединое (дуальное), корпускулярно-волновое представление (корпускулярно-волновой дуализм) о кванте электромагнитного поля -фотоне — распространено Луи де Бройлем на все виды материи и, в первую очередь, конечно, на электрон, главную частицу любого атома.
Наука о законах движения и способах описания этого движения объектов микромира — квантовая механика Идея вероятностного описания движения микрообъектов - фотонов, электронов, протонов и нейтронов.
Эйнштейн эту теорию не принимал, говоря: «Бог не играет в кости» Переделали: «Бог играет в кости, но никогда не проигрывает!»
5. 4. Концепции симметрии, инвариантности и законы сохранения
Симметрия (от греч. symmetria — соразмерность) Искусство - признак гармоничной композиции. Математика - отражение (зеркальное), свойство геометрических фигур, инвариантность (неизменность) структуры объекта относительно его преобразований. Понятие симметрии - связано с представлениями о сходстве, повторяемости, порядке, ритме, цикле, форме и т. п.
Понятия «симметрия» и «асимметрия» Гиппас (VI век до н. э. ) - современник Пифагора. — соразмерность, синоним «порядка» , «упорядоченности» . Платон, Анаксимандра и Анаксимена, в индийских ведах, в учении Анаксагора об уме как принципе красоты и порядка, атомистика Левкиппа, Демократа и Эпикура — геометричность атомов.
Идея сохранения материи Взаимосвязь, связывающая законы сохранения свойствами симметрии физических систем. со Доказана выдающейся женщиной-математиком, немкой Эмми Нетер, только в 1918 году, то есть более чем через 2000 лет после ее появления! Теорема Нетер играет роль принципа структурной организации физических теорий: Симметрия – определяет форму динамического закона, - определяет число и тип сохраняющихся величин. Исторический путь развития физики в XX веке подтвердил исключительную правильность отмеченных принципов.
Примеры 1. Симметрия по отношению к переносам во времени (сдвигам моментов времени) порождает закон сохранения энергии (проявление однородности времени). 2. Симметрия по отношению к переносам в пространстве (трансляциям, сдвигам начала координат из одной точки в другую) порождает закон сохранения импульса (проявление однородности пространства). 3. Симметрия по отношению к поворотам или вращениям в пространстве порождает закон сохранения момента импульса (проявление изотропности пространства).
Симметрии ограниченного действия Классическая физика - симметрия по отношению обращения знака времени или обратимости времени - независимая от времени. (Парадоксально!) Историк науки, француз Александр Койре - движение в классической динамике «движением, не связанным со временем, или, что еще более странно, движением, происходящим во вневременном времени — понятием столь же парадоксальным, как изменение без изменения» . Данная симметрия действует только в макромире, а вот в микромире уже нет.
Зеркальная симметрия - действует в микромире (тождество левого и правого) и порождает сохранение некоторого особого свойства, получившего название четность, которая приписывается каждому микрообъекту.
Зарядовое сопряжение - мир электронов заменить на мир позитронов, мир частиц — на мир античастиц, то это не изменит законов природы. Зеркальное и зарядовое сопряжение — нарушаются при слабых взаимодействиях, обуславливающих распад большинства микрообъектов (например, нейтрона, покинувшего ядро атома).
Калибровочная инвариантность - взаимодействующие тем или иным образом (электромагнитным, гравитационным, сильным и слабым) частицы переносят это взаимодействие посредством некоторого, в каждом конкретном случае своего, особого поля. Самые «элементарные» из всех частиц — кварки.
5. 5. Концепции физического вакуума
Геометрический аспект Великая пустота (или вакуум) - источник окружающего нас мира. Древний Восток (Китая, Индии): все материальные объекты возникают из пустоты, являются ее частью и, в этом смысле, иллюзорны. Диалог ученика и учителя о великой пустоте в древнеиндийских «Ведах» : «Ученик спрашивает: — Каков источник этого мира? — Пространство, — ответил учитель. — Поистине все эти существа выходят из пространства и возвращаются в пространство, ибо пространство больше их, пространство — последнее их прибежище» .
Итальянский философ Патрицци «Итак, пространство есть то, что прежде мира и будет после него, что стоит во главе мира, из него исходит и, наконец, обращается в нечто. . . Разве оно тогда не является субстанцией? Если субстанция то, что лежит в основе, то пространство и есть, скорее всего, сущность» .
Классическая физика Абсолютно пустое пространство ( «вместилища вещей - синоним вакуума классической нерелятивистской физики (то есть физики при скоростях объектов, много меньше скорости света).
Английский математик Уильям Клиффорд «О пространственной теории материи» : «в физическом мире не происходит ничего, кроме изменения кривизны пространства, подчиняющегося (возможно) закону непрерывности» . По Клиффорду, материя — это сгустки пространства, своеобразные, холмы кривизны на фоне плоского пространства.
Эйнштейн Представление гравитационного поля через кривизну пространства-времени. «Я считаю, далее, что уравнения гравитации для пустого пространства представляют собой единственный рациональный обоснованный случай теории поля, который может претендовать на строгость» .
«Полевой» аспект физического вакуума Вакуум — это состояние, в котором реально отсутствуют какие-либо частицы, поля, волны, каком-либо материя (это тривиальное, классическое, обыденное представление о вакууме). В обычных условиях такое состояние обладает минимально возможной энергией. Реализацией такого представления о вакууме является пустое пространство, хотя, на первый взгляд, это бесперспективно.
«Полевой» аспект физического вакуума Английский физик Поль Дирак - поведение электрона в пространстве-времени Эйнштейна — Минковского. Он открыл в результате реальный мир античастиц, который является особым состоянием физического вакуума, ранее считавшегося лишенным какой-либо материи. Поразительным оказалось то, что квантовая физика преподносит «трюки» даже в отсутствии квантовых частиц.
Принцип неопределенности Гейзенберга В какие-то очень малые, не фиксируемые приборами промежутки времени, энергия может быть взята «взаймы» на различные цели, в том числе на рождение частиц. Разумеется, все родившиеся частицы будут короткоживущими, так как израсходованная на них энергия должна быть «возвращена» через ничтожную долю времени. Тем не менее, частицы могут возникнуть из «ничего» (вот это и называют «вакуумом» современной физики), обретя мимолетное бытие, прежде чем снова исчезнуть.
Российский ученый Дмитрий Блохинцев «Согласно детерминистическому подходу частицы являются лишь возбуждениями вакуума, который продолжает жить и тогда, когда никаких частиц нет; в нем флуктуирует электромагнитное поле. . . Это — не покой, а вечное движение, подобно зыби на поверхности моря. . . С этой точки зрения ясно также, что никаких изолированных, предоставленных самим себе ( «свободных» , как говорят) частиц не существует. Даже в случае значительного удаления частиц друг от друга, они все же продолжают принадлежать породившей их среде, находящейся в состоянии непрерывного движения» . Этим эффектом постоянного движения объясняются некоторые особенности поведения электрона в атоме водорода. Существуют и другие проявления этого удивительного свойства физического вакуума, в том числе, реальное рождение электронпозитронных пар, зарегистрированное на экспериментах.
5. 6. Основополагающие принципы и понятия физического естествознания
1. Принцип относительности — закон, состоящий в том, что любой процесс протекает одинаково в изолированных инерциальных материальных системах, покоящихся либо равномерно прямолинейно движущихся относительно друга. Принцип относительности утверждает равноправие всех инерциальных систем отсчета. Особо следует выделять принцип относительности к средствам наблюдения, устанавливающего связь макро- и микромиров.
2. Принцип распространения света — скорость распространения света в вакууме (пустоте) не зависит от скорости источника и является предельной для любых физических скоростей.
3. Принцип суперпозиции в классической физике — утверждение, состоящее в том, что результирующий эффект от независимых воздействий представляет собой линейную сумму эффектов от каждого воздействия в отдельности. Принцип суперпозиции состояний в квантовой физике — утверждение, состоящее в том, физическая система может находиться как в состояниях, описываемых двумя (или несколькими) волновыми функциями, так и в состояниях, описываемых любой линейной комбинацией этих функций. Принцип суперпозиции можно понимать как принцип линейных независимых наложений воздействий или состояний друг на друга.
4. Принцип корпускулярноволнового дуализма (принцип волновых свойств материи) — утверждение, заключающееся в том, что любые микрообъекты материи (фотоны, электроны, протоны, атомы, молекулы и др. ) обладают свойствами и частиц (корпускул) и волн, количественные связи энергии, массы, импульса и частоты которых определяются соотношениями де Бройля.
5. Принцип неопределенности Гейзенберга — принцип квантовой физики, утверждающий, что характеризующие физическую систему так называемые дополнительные физические величины (координата и импульс, энергия и время и др. ) не могут одновременно принимать точные значения и не могут быть потому одновременно точно измерены. Количественная связь неопределенностей (погрешностей) в определении дополнительных величин ограничивается их произведением, равным или превосходящим постоянную Планка.
6. Принцип тождественности частиц (микромира) — положение квантовой физики, согласно которому состояния системы частиц (микрообъектов), получающиеся друг из друга перестановкой местами тождественных (неотличимых) частиц, нельзя различить ни в каком эксперименте, и такие состояния должны приниматься как одно физическое состояние. Из указанного принципа следует симметрия волновой функции системы тождественных частиц.
7. Принцип запрета Паули — закон природы, согласно которому в какойлибо квантовой системе тождественных частиц с полуцелым спином (например, электроны, протоны и др. ) две или более частицы не могут одновременно находиться в одном и том же состоянии (именно это запрещено — быть в одинаковом состоянии).
8. Принцип эквивалентности (гравитационной и инертной масс) — закон природы, который устанавливает аналогию между свободным движением тел, наблюдаемым в неинерциальной (ускоренной) системе отсчета, и движением тел в поле тяготения. Принцип утверждает эквивалентность ускоренных систем отсчета некоторому гравитационному полю.
9. Принцип дополнительности Бора — принцип, согласно которому существуют две взаимоисключающие и дополняющие друга импульсно-энергетическая и пространственно-временная картины состояний микрообъекта, получаемые при взаимодействии его с соответствующими измерительными приборами. Одновременные точные данные о них невозможны.
10. Принцип соответствия Бора — утверждение, состоящее в том, что новая, более глубокая и общая теория, своими следствиями и выводами должна включать в себя старую теорию как предельный случай (например, релятивистская механика Эйнштейна при малых скоростях — классическую механику Ньютона и др. ).
11. Принцип калибровочной инвариантности (компенсации) в теории полей — преобразование, задающее переход от одних значений, характеризующих поле величин, к другим, оставляющим без изменения физически определенные, наблюдаемые (измеряемые) на опыте параметры поля. Например, в электродинамике — переход от одних значений электрических потенциалов к другим, оставляющий без изменения значения напряженностей электрического и магнитного полей, плотность их энергии и т. д. Компенсация за такое преобразование сводится к появлению агента, переносящего то или иное свойство микрообъекта в пространстве и времени — например, агента взаимодействия электрических зарядов посредством (или в виде) электромагнитного поля или фотонов. Данный принцип является всеобщим (всеобъемлющим) принципом природы.
Нижеследующие принципы: 12. Принцип спонтанного нарушения симметрии 13. Принцип перенормируемости являются характерными для мира элементарных частиц и связаны с методами их классификации на унитарной основе и исключения бесконечных величин, возникающих в квантово-полевых теориях.
Термодинамические принципы 14. Первый принцип термодинамики 15. Второй принцип термодинамики 16. Третий принцип термодинамики (первое начало) (второе начало) (третье начало)
Нижеследующие принципы 17. Принцип минимума производства энтропии 18. Принцип необратимости (движения и времени) в естествознании еще только начинает формироваться и не имеет общепринятого толкования и осмысления. Представленные выше фундаментальные принципы позволяют сформулировать основные выводы о физической природе материального мира частиц, полей и их систем.
Физика частиц и полей 1. Макромир состоит из дискретных и континуальных объектов — частиц и полей (волн) (Демокрит, Зенон Элейский, Дальтон, Фарадей, Максвелл). 2. Движение объектов относительно и сохраняется в отсутствие взаимодействий. Состояния покоя и равномерного прямолинейного движения неразличимы никакими физическими опытами (Галилей, Ньютон, Лоренц, Пуанкаре, Эйнштейн, Нетер). 3. Поля (свет, гравитация, в том числе) распространяются с постоянной предельной скоростью (Майкельсон, Морли, Эйнштейн), объединяя в единое многообразие пространство и время — в пространство-время (Минковский). 4. Корпускулярная (дискретная) и континуальная (полевая) форма материи в микромире дуально едина (де Бройль, Шредингер, Дирак), калибровочноинвариантна (Лоренц, Янг, Миллс), имея проявлением неустранимую неопределенность их пространственно-временных и импульсно-энергетических состояний (Гейзенберг) и взаимопревращений друг в друга. 5. Разнообразные свойства всех микрообъектов квантованно минимизированы — электрический заряд (Милликен), спин (Гаудсмит, Уленбек), магнитный момент (Бор), изоспин (Гейзенберг), странность (Гелл-Манн), барионный заряд, аромат, цвет — и переносятся, передаются от одного к другому связывающими их агентами — фотонами, мезонами, векторными бозонами, глюонами (Планк, Эйнштейн, Тамм, Иваненко, Ферми, Юкава, Янг, Миллс, Гелл-Манн, Цвейг, Боголюбов, Матвеев, Фадеев, Салам, Вайнберг). 6. Искривленное пространство-время макро- и мегамиров (Клиффорд, Лобачевский, Риман) создано материей (Эйнштейн) и простирается (распространяется), расширяясь (Фридман, Хаббл), от предельно плоских (Евклид) локальных областей к предельно искривленным областям — черным дырам (Лаплас, Оппенгеймер, Снайдер, Пенроуз, Хокинг).
Физика термодинамических систем 1. а) внутренняя энергия систем в основном зависит от температуры и может совершать работу (Карно, Майер, Джоуль, Ленд, Гельмгольц) либо б) работа систем возможна за счет понижения температуры. 2. а) мера неупорядоченности (хаоса) системы, энтропия, остается неизменной только для обратимых процессов, возрастая при всех остальных (Клаузиус, Больцман) либо б) мера хаоса (энтропия) в системе нарастает в результате обмена с внешней средой, порождая необратимость движения и времени. 3. а) энтропия систем стремится к нулю при стремлении к нулю абсолютной температуры (Нернст) либо б) наивысший порядок в системе может быть достигнут при абсолютном нуле температуры. 4. Производство энтропии системой минимально в стационарном состоянии (Пригожин).
Вопросы?
Скачать презентацию ЛЕКЦИЯ 5 Фундаментальные принципы и обобщенные положения современного
5_Физическое естествознание.pptx