Медицинская и биологическая физика Введение • Программа и стратегия обучения • Нужна ли физика врачу? • Физика и другие науки • Современная физическая картина мира
Программа и стратегия обучения Лектор: Шеховцов Олег Валерьевич, доцент кафедры экспериментальной физики физического факультета; e-mail: o. v. shekhovtsov@mail. ru где искать лектора? деканат физического факультета, к. 4 31 (главный корпус)
Програма: МІНІСТЕРСТВО ОХОРОНИ ЗДОРОВ’Я УКРАЇНИ ЦЕНТРАЛЬНИЙ МЕТОДИЧНИЙ КАБІНЕТ З ВИЩОЇ МЕДИЧНОЇ ОСВІТИ „ЗАТВЕРДЖУЮ” Перший заступник Міністра В. В. Лазоришинець МЕДИЧНА І БІОЛОГІЧНА ФІЗИКА ПРОГРАМА НАВЧАЛЬНОЇ ДИСЦИПЛІНИ ДЛЯ СТУДЕНТІВ ВИЩИХ МЕДИЧНИХ ЗАКЛАДІВ ОСВІТИ ІV РІВНЯ АКРЕДИТАЦІЇ Спеціальності: «лікувальна справа» , «педіатрія» , «медико-профілактична справа» „ПОГОДЖЕНО” Директор Центрального методичного кабінету з вищої медичної освіти МОЗ України І. С. Вітенко Київ – 2010
Модуль 1. Математична обробка медико-біологічних даних Змістові модулі: Основи математичного аналізу. Основи теорії ймовірності та математичної статистики. Модуль 2. Основи біофізики Змістові модулі: Основи біомеханіки, біоакустики, біореології та гемодинаміки. Термодинаміка біологічних систем. Біофізика мембранних процесів. Модуль 3. Основи медичної фізики Змістові модулі: Електродинаміка, ії медичне застосування. Основи медичної апаратури. Оптичні методи та їх використання у біології та медицині. Квантово-механічні методи дослідження. Радіаційна фізика. Основи дозиметрії. Аудиторне навантаження – 66, 7%, СРС – 33, 3%.
МЕТА ВИВЧЕННЯ НАВЧАЛЬНОЇ ДИСЦИПЛІНИ Кінцевими цілями навчання дисципліни "Медична і біологічна фізика" є: Пояснювати фізичні основи та біофізичні механізми дії зовнішніх факторів (полів) на системи організму людини. Пояснювати фізичні основи діагностичних і фізіотерапевтичних (лікувальних) методів, що застосовуються у медичній апаратурі. Трактувати загальні фізичні та біофізичні закономірності, що лежать в основі життєдіяльності людини. Досягнення цих цілей дозволить студентам-медикам оволодіти фізичними і біофізичними, фізико-технічними і математичними знаннями та вміннями, які необхідні для безпосереднього формування лікаря - професіонала своєї справи, а також для вивчення інших навчальних теоретичних і клінічних дисциплін у вищих медичних навчальних закладах.
Нужна ли физика врачу? Журнал «НАУКА и ЖИЗНЬ» , № 5, 2003 г. Доктор биологических наук Ю. ПЕТРЕНКО ___________________________________________ ВРАЧ-МЫСЛИТЕЛЬ ИЛИ ВРАЧ-ГУРУ? Никто не отрицает, что вера больного в исцеление играет важную, иногда даже решающую роль (вспомним эффект плацебо). Так какой же врач нужен больному? Уверенно произносящий: "Ты будешь здоров" или же долго раздумывающий, какое лекарство выбрать, чтобы получить максимальный эффект и при этом не навредить? По воспоминаниям современников, знаменитый английский ученый, мыслитель и врач Томас Юнг (1773 -1829) нередко застывал в нерешительности у постели больного, колебался в установлении диагноза, часто и надолго умолкал, погружаясь в себя. Он честно и мучительно искал истину в сложнейшем и запутанном предмете, о котором писал так: "Нет науки, сложностью превосходящей медицину. Она выходит за пределы человеческого разума". С точки зрения психологии врач-мыслитель мало соответствует образу идеального врача. Ему недостает смелости, самонадеянности, безапелляционности, нередко свойственных именно невеждам. Наверное, такова природа человека: заболев, уповать на быстрые и энергичные действия врачующего, а не на размышления. Но, как сказал Гёте, "нет ничего страшнее деятельного невежества". Юнг как врач большой популярности у больных не приобрел, а вот среди коллег его авторитет был высоким.
ФИЗИКУ СОЗДАВАЛИ ВРАЧИ Познай самого себя, и ты познаешь весь мир. Первым занимается медицина, вторым - физика. Изначально связь между медициной и физикой была тесной, недаром совместные съезды естествоиспытателей и врачей проходили вплоть до начала XX века. И между прочим, физику во многом создали врачи, а к исследованиям их часто побуждали вопросы, которые ставила медицина. Врачи-мыслители древности первыми задумались над вопросом, что есть теплота. Они знали, что здоровье человека связано с теплотой его тела. Великий Гален (II век н. э. ) ввел в обиход понятия "температура" и "градус", ставшие основополагающими для физики и других дисциплин. Так что врачи древности заложили основы науки о тепле и изобрели первые термометры. Уильям Гильберт (1544 -1603), лейб-медик английской королевы, изучал свойства магнитов. Он назвал Землю большим магнитом, доказал это экспериментально и придумал модель для описания земного магнетизма. Томас Юнг, о котором уже упоминалось, был практикующим врачом, но при этом сделал великие открытия во многих областях физики. Он по праву считается, вместе с Френелем, создателем волновой оптики. Кстати, именно Юнг открыл один из дефектов зрения – дальтонизм (неспособность различать красный и зеленый цвета). По иронии судьбы это открытие обессмертило в медицине имя не врача Юнга, а физика Дальтона, который оказался первым, у кого обнаружился этот дефект.
Юлиус Роберт Майер (1814 -1878), внесший огромный вклад в открытие закона сохранения энергии, служил врачом на голландском корабле "Ява". Он лечил матросов кровопусканием, которое считалось в то время средством от всех болезней. По этому поводу даже острили, что врачи выпустили больше человеческой крови, чем ее было пролито на полях сражений за всю историю человечества. Майер обратил внимание, что, когда корабль находится в тропиках, при кровопускании венозная кровь почти такая же светлая, как артериальная (обычно венозная кровь темнее). Он предположил, что человеческий организм, подобно паровой машине, в тропиках, при высокой температуре воздуха, потребляет меньше "топлива", а потому и "дыма" выделяет меньше, вот венозная кровь и светлеет. Кроме того, задумавшись над словами одного штурмана о том, что во время штормов вода в море нагревается, Майер пришел к выводу, что всюду должно существовать определенное соотношение между работой и теплотой. Он высказал положения, которые легли по существу в основу закона сохранения энергии.
Выдающийся немецкий ученый Герман Гельмгольц (1821 -1894), тоже врач, независимо от Майера сформулировал закон сохранения энергии и выразил его в современной математической форме, которой до настоящего времени пользуются все, кто изучает и использует физику. Помимо этого Гельмгольц сделал великие открытия в области электромагнитных явлений, термодинамике, оптике, акустике, а также в физиологии зрения, слуха, нервных и мышечных систем, изобрел ряд важных приборов. Получив медицинское образование и будучи профессиональным медиком, он пытался применить физику и математику к физиологическим исследованиям. В 50 лет профессиональный врач стал профессором физики, а в 1888 году - директором физико-математического института в Берлине. Французский врач Жан-Луи Пуазейль (1799 -1869) экспериментально изучал мощность сердца как насоса, качающего кровь, и исследовал законы движения крови в венах и капиллярах. Обобщив полученные результаты, он вывел формулу, оказавшуюся чрезвычайно важной для физики. За заслуги перед физикой его именем названа единица динамической вязкости - пуаз.
Любой автомобилист слышал о карданном вале, передающем вращательное движение под разными углами, но мало кто знает, что изобрел его итальянский врач Джероламо Кардано (1501 -1576). Знаменитый маятник Фуко, сохраняющий плоскость колебаний, носит имя французского ученого Жан-Бернара-Леона Фуко (1819 -1868), врача по образованию. Знаменитый русский врач Иван Михайлович Сеченов (1829 -1905), чье имя носит Московская государственная медицинская академия, занимался физической химией и установил важный физико-химический закон, описывающий изменение растворимости газов в водной среде в зависимости от присутствия в ней электролитов. Этот закон и сейчас изучают студенты, причем не только в медицинских вузах.
"НАМ ФОРМУЛ НЕ ПОНЯТЬ!" В отличие от врачей прошлого многие современные студенты-медики попросту не понимают, зачем им преподают естественно-научные дисциплины. Вспоминается одна история из моей практики. Напряженная тишина, второкурсники факультета фундаментальной медицины МГУ пишут контрольную. Вопросы не слишком сложные, все в рамках материала лекционных и семинарских занятий. Но итог неутешителен: почти половина студентов получили двойки. И для всех, кто не справился с заданием, характерно одно - в школе физику не учили спустя рукава. На некоторых этот предмет наводит самый настоящий ужас. В стопке контрольных работ мне попался листок со стихами. Студентка, не сумевшая ответить на вопросы, в поэтической форме жаловалась, что ей приходится зубрить не латынь (вечное мучение студентов-медиков), а физику, и в конце восклицала: "Что делать? Ведь мы - медики, нам формул не понять!" Когда студенты, будущие медики, оперируют крысу, никому и в голову не придет спрашивать, зачем это надо, хотя организмы человека и крысы различаются довольно сильно. Зачем будущим врачам физика - не так очевидно. Но сможет ли врач, не понимающий основных физических законов, грамотно работать со сложнейшим диагностическим оборудованием, которым "напичканы" современные клиники? Кстати, многие студенты, преодолев первые неудачи, начинают с увлечением заниматься биофизикой. В конце учебного года второкурсники написали: "Мы открывали фундаментальные законы, определяющие основу живого и, возможно, мироздания. Открывали их не на основе умозрительных теоретических построений, а в реальном объективном эксперименте. Нам было тяжело, но интересно".
Фритьоф Капра (англ. Fritjof Capra (род. 1 февраля 1939, Вена) — американский физик австрийского происхождения. Получил степень доктора философии по физике в Венском университете в 1966 году. Проводил исследования по физике элементарных частиц и теории систем. Написал популярные книги, касающиеся науки, в особенности «Дао физики» с подзаголовком «Исследование параллелей между современной физикой и восточным мистицизмом» . «… открытия современной физики предложили исследователям два пути: первый ведет к Будде, второй — к Бомбе, — и каждый ученый сам волен выбирать свой путь. Мне кажется, что сложно переоценить важность пути Будды — "пути с сердцем" — сейчас, когда около половины наших специалистов работают на военнопромышленный комплекс, используя огромный творческий потенциал во имя создания все более изощренных орудий массового уничтожения. »
6 августа Всемирный день борьбы за запрещение ядерного оружия, Международный день «Врачи мира за мир» Я не знаю с каким оружием будет Третья Мировая война, но я точно знаю, что Четвертая Мировая будет с камнями и палками. Альберт Эйнштейн Хиросима, 6 августа 1945 г. погибли более 90 000 человек. Ослепительная вспышка и страшный грохот разрыва — после чего весь город покрыли огромные тучи дыма. Среди дыма, пыли и обломков один за другим вспыхивали деревянные дома, до конца дня город был объят дымом и пламенем. И когда, наконец, пламя улеглось, весь город представлял собой одни развалины. Это было ужасное зрелище, которого до сих пор не видела история. Всюду громоздились обугленные и обожженные трупы, многие из них застыли в той позе, в которой их застал взрыв. Трамвай, от которого остался один остов, был набит трупами, державшимися за ремни. Многие из тех, кто остался в живых, стонали от ожогов, покрывавших все тело. Повсюду можно было столкнуться со зрелищем, напоминавшим сцены из жизни ада. http: //hirosima. scepsis. ru Нагасаки, 9 августа 1945 г. погибли более 70 000 человек.
Физика и другие науки
Химия С незапамятных времен химия и физика взаимодействуют очень сильно: вся теория атомного строения вещества получила основательную поддержку в химическом эксперименте. Химическую теорию, т. е. теорию самих реакций, подытожила периодическая система Менделеева. Она выявила немало удивительных связей между разными элементами стало ясно, что с чем и как соединяется; все эти правила составили неорганическую химию. Сами они были в конечном счете объяснены квантовой механикой. Стало быть, на самом деле теоретическая химия это физика. Есть ветвь физики и химии, к которой они обе приложили руки. В любой химической реакции действует много атомов, а движения их случайны и замысловаты. Значит нужно научиться работать с такими сложными системами. Позволяет это сделать статистическая механика, которая, кроме того, лежит в основе теории тепловых явлений, или термодинамики. В наше время неорганическая химия как наука свелась в основном к физической и квантовой химии; первая изучает скорости реакций и прочие их детали (как попадает молекула в молекулу, какая из частей молекулы оторвется первой и т. д. ), а вторая помогает понимать происходящее на языке физических законов. Другая ветвь химии органическая химия, химия веществ связанных с жизненными процессами. Органическая химия тесно связана с биологией; многое из физической химии и квантовой механики столь же приложимо к органическим соединениям, как и к неорганическим. Впрочем, главные задачи органической химии вовсе не в этом, а в анализе и синтезе веществ, образуемых в биологических системах. Отсюда можно перейти к биохимии и к самой биологии
Биология
Есть и другой резон, по которому для биологии и других наук важна именно физика, это техника эксперимента. ПРИМЕРЫ : Электронный парамагнитный резонанс Изучение локализованных неспаренных электронов исключительно важно для исследования механизмов повреждения биологической ткани, образования промежуточных молекулярных форм в ферментативном или другом катализе. Поэтому метод ЭПР интенсивно используется в биологии, где с его помощью изучаются ферменты, свободные радикалы в биологических системах и металлоорганические соединения. Радиоуглеродный анализ
Психология
Моисей Исаакович Каганов (р. 1921) — физик-теоретик, специализировался в области квантовой теории твердого тела. Окончил физико-математический факультет Харьковского университета. Работал в Институте физических проблем им. П. Л. Капицы РАН, ведущий научный сотрудник. Профессор МГУ. После выхода на пенсию, с 1994 года живет в США. Автор более 200 научных работ. Имеет боевые и государственные награды.
Современная физическая картина мира Ричард Фейнман:
Согласно теории Большого взрыва, дальнейшая эволюция зависит от экспериментально измеримого параметра — средней плотности вещества в современной Вселенной. Если плотность не превосходит некоторого (известного из теории) критического значения, Вселенная будет расширяться вечно, если же плотность больше критической, то процесс расширения когда-нибудь остановится и начнётся обратная фаза сжатия, возвращающая к исходному сингулярному состоянию. Современные экспериментальные данные относительно величины средней плотности ещё недостаточно надёжны, чтобы сделать однозначный выбор между двумя вариантами будущего Вселенной. Большо й взрыв (англ. Big Bang) — общепринятая космологическая модель, описывающая раннее развитие Вселенной, а именно — начало расширения Вселенной, перед которым Вселенная находилась в сингулярном состоянии.
МАТЕРИЯ существует в форме вещества и полей
Ричард Фейнман:
Гравитационное взаимодействие В нем участвует все, что имеет энергию, а не только массу. Например, фотон в гравитационном поле может «краснеть» . ОТО геометрическая теория. В квантовой теории переносчик гравитон.
Сильное взаимодействие
Электромагнитное взаимодействие
Ричард Фейнман:
Слабое взаимодействие Диаграмма Фейнмана для бета-распада нейтрона на протон, электрон и электронное антинейтрино при участии тяжёлого W-бозона
Диаграмма Фейнмана для бета-минус распада нейтрона на протон, электрон и электронное антинейтрино через промежуточный W- бозон. Является примером заряженного тока.
Буриданов осел и бозон Хиггса
У нас есть почти полное теоретическое описание того, из чего мы состоим - из элементарных частиц. Эти элементарные частицы из общих соображений симметрии должны быть безмассовые. И для того, чтобы придать им массу, эти частицы нужно погрузить в какое-то вязкое поле - так придумал в 1964 году Питер Хиггс, автор этой теории. У этого вязкого поля, которое нас окружает везде во Вселенной, есть квант. Квант - это частица бозон Хиггса. Большой адро нный колла йдер, сокращённо БАК (англ. Large Hadron Collider, сокращённо LHC) — ускоритель заряженных частиц на встречных пучках, предназначенный для разгона протонов и тяжёлых ионов (ионов свинца) и изучения продуктов их соударений. Коллайдер построен в научно-исследовательском центре Европейского совета ядерных исследований (ЦЕРН), на границе Швейцарии и Франции, недалеко от Женевы.
CERN experiments observe particle consistent with long-sought Higgs boson Geneva, 4 July 2012. At a seminar held at CERN 1 today as a curtain raiser to the year’s major particle physics conference, ICHEP 2012 in Melbourne, the ATLAS and CMS experiments presented their latest preliminary results in the search for the long sought Higgs particle. Both experiments observe a new particle in the mass region around 125 -126 Ge. V. 4 июля 2012 г. коллаборации ATLAS и CMS объявили о нахождении бозона массой 125. 3 ± 0. 6 Гэ. В. Является ли эта частица бозоном Хиггса, пока остаётся под вопросом
Згідно з рішенням Нобелівського комітету, професорам Пітеру Хіггсу (Університет Едінбурга, Велика Британія) і Франсуа Енглеру (Університет Брюсселя, Бельгія) присуджено Нобелівську премію у галузі фізики за теоретичне відкриття фізичного механізму, який призводить до набуття субатомними частинками маси. Цю теоретичну ідею науковцям вдалося підтвердити після аналізу даних, отриманих у експериментах на Великому адронному колайдері, що проводилися протягом останніх декількох років Європейською організацією з ядерних досліджень (ЦЕРН). У цих експериментах пучки протонів розганяються до швидкостей, що є близькими до світлових. У зіткненнях протонів, що мають енергію до 8 тераелектронвольт, було зафіксовано процес народження передбаченої нової фундаментальної частинки — бозона Хіггса та його подальші розпади на відомі елементарні частинки. У підготовці та проведенні досліджень на Великому адронному колайдері беруть участь українські науковці. Важливі елементи системи — торцеві адронні калориметри на детекторі CMS, які служать для реєстрування високоенергетичних частинок, було розроблено та створено завдяки роботам учених Науково-технологічного комплексу «Інститут монокристалів» (м. Харків) і Харківського фізико-технічного інституту НАН України. Обробка та накопичення даних з експериментів на Великому адронному колайдері проводиться з використанням спеціалізованого комп'ютерного кластера в Харківському фізико-технічному інституті. Наразі в команді дослідників, які беруть участь у різних експериментах у ЦЕРНі, працюють 47 українських науковців.
Стандартная модель
Теория струн Ква нтовая струна (англ. string) — в теории струн бесконечно тонкие одномерные объекты длиной в 10− 35 м, колебания которых производит всё многообразие элементарных частиц. Характер колебаний струны задаёт свойства материи, такие как электрический заряд и масса. Среди многих свойств теории струн особенно важны три нижеследующих: - Гравитация и квантовая механика являются неотъемлемыми принципами устройства Вселенной, и поэтому любой проект единой теории обязан включать и то, и другое. В теории струн это реализуется. - Исследования на протяжении XX века показали, что существуют и другие ключевые концепции, — многие из которых были проверены экспериментально, — являющиеся центральными для нашего понимания Вселенной. В их числе — спин, существование поколений частиц материи и частиц-переносчиков взаимодействия, калибровочная симметрия, принцип эквивалентности, нарушение симметрии и суперсимметрия. Всё это естественным образом вытекает из теории струн. - В отличие от более общепринятых теорий, таких, как стандартная модель с её 19 свободными параметрами, которые могут подгоняться для обеспечения согласия с экспериментом, в теории струн свободных параметров нет. Теория струн нуждается в экспериментальной проверке, однако ни один из вариантов теории не даёт однозначных предсказаний, которые можно было бы проверить в критическом эксперименте. Таким образом, теория струн находится пока в «зачаточной стадии» : она обладает множеством привлекательных математических особенностей и может стать чрезвычайно важной в понимании устройства Вселенной, но требуется дальнейшая разработка для того, чтобы принять её или отвергнуть.
Ускоренное расширение Вселенной было открыто в 1998 году при наблюдениях за сверхновыми. За это открытие Сол Перлмуттер, Брайан П. Шмидт и Адам Рисс получили премию Шоу по астрономии за 2006 год и Нобелевскую премию по физике за 2011 год. Затем эти наблюдения были подкреплены другими источниками: измерениями реликтового излучения, гравитационного линзирования, нуклеосинтеза Большого Взрыва. Все полученные данные хорошо вписываются в лямбда-CDM модель. Ранее существовавшие космологические модели предполагали, что расширение Вселенной замедляется. Они исходили из предположения, что основную часть массы Вселенной составляет материя — как видимая, так и невидимая (тёмная материя). На основании новых наблюдений, свидетельствующих об ускорении расширения, было найдено, что во Вселенной существует ранее неизвестная энергия с отрицательным давлением (см. уравнения состояния). Её назвали «тёмной энергией» . По имеющимся оценкам, ускоряющееся расширение Вселенной началось приблизительно 5 миллиардов лет назад. Предполагается, что до этого расширение замедлялось благодаря гравитационному действию тёмной материи и барионной материи. Плотность барионной материи в расширяющейся Вселенной уменьшается быстрее, чем плотность тёмной энергии. В конце концов, тёмная энергия начинает преобладать. Например, когда объём Вселенной удваивается, плотность барионной материи уменьшается вдвое, а плотность тёмной энергии остается почти неизменной (или точно неизменной — в варианте с космологической константой). Если ускоряющееся расширение Вселенной будет продолжаться бесконечно, то в результате галактики за пределами нашего Сверхскопления галактик рано или поздно выйдут за горизонт событий и станут для нас невидимыми, поскольку их относительная скорость превысит скорость света. Это не является нарушением специальной теории относительности. На самом деле невозможно даже определить «относительную скорость» в искривлённом пространстве-времени. Относительная скорость имеет смысл и может быть определена только в плоском пространстве-времени, или на достаточно малом (стремящемся к нулю) участке искривлённого пространства-времени. Любая форма коммуникации далее пределов горизонта событий становится невозможной, и всякий контакт между объектами теряется. Земля, Солнечная система, наша Галактика, и наше Сверхскопление будут видны другу и в принципе достижимы путём космических полётов, в то время как вся остальная Вселенная исчезнет вдали. Со временем наше Сверхскопление придёт в состояние тепловой смерти, то есть осуществится сценарий, предполагавшийся для предыдущей, плоской модели Вселенной с преобладанием материи. Темная материя
Существуют и более экзотические гипотезы о будущем Вселенной. Одна из них предполагает, что фантомная энергия приведёт к т. н. «расходящемуся» расширению. Это подразумевает, что расширяющая сила действия тёмной энергии продолжит неограниченно увеличиваться, пока не превзойдёт все остальные силы во Вселенной. По этому сценарию, тёмная энергия со временем разорвёт все гравитационно связанные структуры Вселенной, затем превзойдёт силы электростатических и внутриядерных взаимодействий, разорвёт атомы, ядра и нуклоны и уничтожит Вселенную в Большом Разрыве. С другой стороны, тёмная энергия может со временем рассеяться или даже сменить отталкивающее действие на притягивающее. В этом случае гравитация возобладает и приведёт Вселенную к «Большому Хлопку» . Некоторые сценарии предполагают «циклическую модель» Вселенной. Хотя эти гипотезы пока не подтверждаются наблюдениями, они и не отвергаются полностью. Решающую роль в установлении конечной судьбы Вселенной (развивающейся по теории Большого Взрыва) должны сыграть точные измерения темпа ускорения.
Скачать презентацию Медицинская и биологическая физика Введение Программа и
Fizika_2013-14.ppt