Структурные образования научного знания могут выступать в виде: 1) Научной картины мира 2) Исследовательской программы : 1 - научно-исследовательская программа Имре Лакатоса (19221974) 2 - физическая исследовательская программы М. Д. Ахундова и С. В. Илларионова (эволюцию концепций, составляющих содержание физики как наиболее развитой естественно-научной дисциплины) 3) Научной парадигмы научная парадигма Тома Куна (1922 -1996) n Их качественные преобразования оцениваются как революционный скачок в науке
n одновременно компонента научного мировоззрения (миропредставление) Научная картина мира
Революция в науке n n n период развития науки, во время которого старые научные представления замещаются частично или полностью новыми Содержание «научной революции» : ученые делают научные открытия в различных областях наук устанавливают «неизвестные ранее объективно существующие закономерности, свойства и явления материального мира, вносящие коренные изменения в уровень познания» . n Отрезок времени примерно от даты публикации работы Николая Коперника «Об обращениях небесных сфер» (1543 г. ), до опубликования, «Математические начала натуральной философии» Исаака Ньютона (1687 г. ), обычно называют периодом «научной революции» .
Исторические типы научных картин мира и научных революций Чётко и однозначно фиксируемых радикальных смен научной картины мира и научных революций в истории развития науки можно выделить три n Обычно их персонифицируют по именам трёх ученых, сыгравших наибольшую роль в происходивших изменениях: 1) Аристотелевская 2) Ньютоновская научная революция 3) Эйнштейновская революция n
Исторические типы научных картин мира и научных революций n Аристотелевская революция Период: VI—IV века до нашей эры n Ньютоновская революция Классическое естествознание Период: XVI—XVIII века Исходный пункт: переход от геоцентрической модели мира к гелиоцентрической. Итог: появление механистической научной картины мира q q n
Исторические типы научных картин мира и научных революций n n Эйнштейновская революция Период: рубеж XIX—XX веков. Открытия: ¨ сложная структура атома ¨ явление радиоактивности ¨ дискретность характера электромагнитного излучения и др. Итог: была подорвана важнейшая предпосылка механистической картины мира — убежденность в том, что с помощью простых сил, действующих между неизменными объектами, можно объяснить все явления природы.
Аристотелевская Период: VI—IV века до нашей эры n n n Результат: возникновение самой науки отделение науки от других форм познания и освоения мира создание определенных норм и образцов научного знания. В космологии: Аристотель создает геоцентрическую систему мировых сфер, развитую позднее Птоломеем: в центре сферическая, неподвижная Земля, окруженная сферами
Ньютоновская научная революция Период: XVI—XVIII века n n n Исходный пункт: переход от геоцентрической модели мира к гелиоцентрической. Отражение в трудах: Открытия: Н. Коперника, Г. Галилея, И. Кеплера, Р. Декарта. И. Ньютон подвел итог их исследованиям, сформулировал базовые принципы новой научной картины мира в общем виде.
Ньютоновская научная революция n 1) 2) 3) 4) 5) 6) Основные изменения: Язык математики. -выделение объективных количественных характеристик земных тел (форма величина, масса, движение), -выражение их в математических закономерностях Методы экспериментального исследования. Исследуемые явления — в строго контролируемых условиях Отказ от концепции гармоничного, космоса. Представления: Вселенная бесконечна и объединена только действием идентичных законов Доминанта: Механика Познавательная деятельность: чёткая оппозиция субъекта и объекта исследования. n Итог: появление механистической научной картины мира на базе экспериментально математического естествознания.
Открытия: Н. Коперника, И. Кеплера n создание гелиоцентрической системы – (Н. Коперник 1543 г. ): - в центре находится неподвижное Солнце -Земля вращается вокруг своей оси -планеты обращаются вокруг Солнца. n Учение о множественности миров и бесконечности Вселенной (Дж. Бруно) n Открытие И. Кеплером законов движения планет: -планеты движутся не по круговым, а по эллиптическим орбитам
Галилео Галилей Galileo Galilei n Научная сфера: философ, физик, астроном, математик Астрономические открытия (1 ый телескоп): -Солнце, и, следовательно, все планеты, вращаются вокруг своей оси n Впервые сформулировал принципы инерции и относительности для механического движения: Во всех инерциальных системах отсчета законы классической динамики имеют одинаковую форму n (дальнейшее обобщение сделано в теории относительности А. Эйнштейном) Портрет Галилео Галилея (1635) кисти Юстуса Сустерманса
Исаак Ньютон Isaac Newton n n Исходя из наблюдений итальянского ученого Галилея, датского астронома Тихо Брагге и немецкого ученого Иоганна Кеплера, Ньютон путем размышлений вывел: три простых закона механики и их гениальное обобщение – закон Всемирного тяготения. «…с законов движения Ньютона пошел отсчет истории современной физики и вообще естественных наук» © 2005 -2010 «Элементы» 25 декабря 1642 - 20 марта 1727 (84 года)
Исаак Ньютон Isaac Newton 1642– 1727 n Законы механики Ньютона (1687): q 1. В отсутствие внешних силовых воздействий тело будет продолжать равномерно двигаться по прямой (законом инерции) q 2. Ускорение движущегося тела пропорционально сумме приложенных к нему сил и обратно пропорционально его массе: a= F/ m где F — сила, m — масса, a — ускорение q 3. Всякому действию сопоставлено равное по силе и обратное по направлению противодействие. 25 декабря 1642 - 20 марта 1727 (84 года)
q § Фундаментальная теория Ньютона – механика материальной точки Классическая механика (синтез n Базисная теория нескольких фундаментальных теорий) исследовательской программы - аналитическая механика «Затравочные образы» Ньютоновской механики: q атомы (корпускулы) q пустота q абсолютное пространство q абсолютное время
Лапласовский детерминизм n q q n Выражает идею абсолютного детерминизма : -все происходящее имеет причину в человеческом понятии - есть познанная и еще не познанная разумом необходимость Случайность - досадная помеха в получении истинного результата n Пьер-Симо н Лапла с Pierre-Simon Laplace 23 марта 1749 — 5 марта 1827
Механистическая картина мира 1. 2. 3. 4. 5. (XVI-XVIII вв. ) Мироздание - бесконечное число атомов, перемещающихся в пространстве и во времени по неизменным законам движения Универсальное средство взаимодействия тел - тяготение (гравитация) Пространство и время - две сущности, независящие ни от материи, ни друг от друга Взаимодействие тел, рассматривается с позиций принципа дальнодействия: взаимодействие передается мгновенно в абсолютной пространственно-временной среде Любое событие жестко детерминировано. Случайность - недостаток 2. Гравитация проявляется во взаимном притяжении материальных тел 4. Принцип дальнодействия: взаимодействие передается на любое расстояние мгновенно без участия какого-либо материального 5. Любое событие предопределено, свершается с "железной" необходимостью. Случайность исключена, Трактуется как недостаток знания, его ограниченность
Некоторые предпосылки создания новой картины мира n Ø Ø Ø К середине XIXв. формируются новые отрасли физики: статистическая физика термодинамика электродинамика изучение электромагнитных процессов объект их изучения - системы, состоящие из большого числа частиц материя не только вещество, но и поле
Некоторые предпосылки создания новой картины мира n Ø Ø Ø К середине XIXв. формируются новые отрасли физики: статистическая физика термодинамика электродинамика изучение электромагнитных процессов объект их изучения - системы, состоящие из большого числа частиц Электромагнитные процессы не подчиняются механике Ньютона
Законы классической механики n Законы классической механики – расчет траекторий движения тел в пустом пространстве - вместилище материальных тел
Особенности систем, состоящих из огромного числа частиц n Состояние системы характеризуется не полным набором значений координат и импульсов всех частиц, а вероятностью того, что эти значения лежат внутри определенных интервалов. n Состояние системы – это вероятностная ее характеристика n Уравнения движения системы по-прежнему однозначно определяют состояние (статистическое распределение) в любой последующий момент времени по заданному распределению в начальный момент
Динамические и статистические законы Законы классической механики обратимые и динамические n n Новые законы не вписываются в механистическую картину мира n Термодинамика: вводит понятие о необратимых процессах и статистических законах
Различие между динамическими и статистическими законами Законы классической механики Новые законы n В динамических законах – необходимость - абсолютная противоположность случайного n В статистических законах необходимость выступает в диалектической связи со случайностью
Различие между обратимыми и необратимыми процессами n Обратимые процессы могут идти как в прямом, так и в обратном направлении § По возращении системы в исходное состояние не происходит никаких изменений n Необратимые процессы любые другие процессы
n n n n n Классическая термодинамика и статистическая физика Создание и развитие связано с именами: С. Карно, Дж. Джоуля, Г. Гельмгольца, Р. Клаузиуса, Л. Больцмана, Дж. Гиббса, В. Нернста и др. § Электродинамика § § § Основоположники: Дж. К. Максвелл и М. Фарадей
Николя Леона р Сади Карно (фр. Nicolas Léonard Sadi Carnot) n n n n Дата рождения: 1 июня 1796 Место рождения: Париж Дата смерти: 24 августа 1832 (36 лет) Место смерти: Париж Страна: Франция Научная сфера: Термодинамика Альма-матер: Политехническая школа Известен как: первооткрыватель цикла Карно
Майкл Фарадей и Джеймс Клерк (Кларк) Ма ксвелл Майкл Фарадей. Художник Томас Филипс. 1842 г. (Michael Faraday 1791 — 1867) английский физик, химик и физико-химик член Лондонского королевского общества (1824) Основоположник учения об электромагнитном поле Джеймс Клерк (Кларк) Ма ксвелл (англ. James Clerk Maxwell; (1831, Эдинбург — 1879, Кембридж) британский физик и математик. Член Лондонского королевского общества (1861) Заложил основы современной классической электродинамики Один из основоположников статистической физики
Джеймс Прескотт Джоуль (англ. James Prescott Joule) n n n n Дата рождения: 24 декабря 1818(1818 -12 -24) Место рождения: Ланкашир, Англия Дата смерти: 11 октября 1889(1889 -10 -11) (70 лет) Место смерти: Чешир, Англия Страна: Великобритания Научная сфера: Физика Джоуль изучал природу тепла, и обнаружил её связь с механической работой. Это привело к теории сохранения энергии и к разработке первого закона термодинамики. В честь Джоуля названа единица измерения энергии — джоуль.
Герман Людвиг Фердинанд фон Гельмгольц (нем. Hermann von Helmholtz) n n n n Дата рождения: 31 августа 1821(1821 -08 -31) Место рождения: Потсдам, Германский союз Дата смерти: 8 сентября 1894(1894 -09 -08) (73 года) Место смерти: Шарлоттенбург, Германская империя Страна: Германская империя Научная сфера: физика, физиология Гельмгольц формулирует законы сохранения энергии в химических процессах и вводит в 1881 году понятие свободной энергии
Рудольф Юлиус Эммануель Клаузиус (нем. Rudolf Julius Emanuel Clausius), имя при рожд. — Рудольф Готтлиб n n n q q Дата рождения: 2 января 1822, Кёслин Дата смерти: 24 августа 1888, Бонн) Научная сфера: физика и математика Клаузиус предложил одну из формулировок второго начала термодинамики, известную сейчас как формулировка Клаузиуса. Клаузиус доказал и несколько новых теорем в механической теории тепла, которые носят его имя. Им же было введено понятие энтропии.
Джозайя Уиллард Гиббс (англ. Josiah Willard Gibbs) n n n n Дата рождения: 11 февраля 1839 Место рождения: Нью-Хейвен, Коннектикут, США Дата смерти: 28 апреля 1903 (64 года) Место, смерти: США Страна: США Научная сфера: математика, физика Один из создателей векторного анализа, статистической физики, математической теории термодинамики, что во многом предопределило развитие всех современных точных наук и естествознания в целом. Его имя присвоено многим величинам и понятиям химической термодинамики: энергия Гиббса, парадокс Гиббса, правило фаз Гиббса — Гельмгольца, треугольник Гиббса — Розебома, уравнения Гиббса — Дюгема и др.
Новые физические теории n n Одна из причин возникновение новых физических теорий связана с новым объектом исследования: От «индивидуальных себетождественных, внеположенных» тел (классическая механика) к системам, состоящих из огромного числа частиц n Многие физические понятия стало невозможным описывать законами движения одной индивидуальной частицы n Пример - температура § Макроскопические характеристики имеют смысл только в случае большого числа частиц
Статистические и термодинамические свойства макросистем n В XIX в. создаются: -атомная теории Дальтона, q -атомно-молекулярная теория Авогадро, q -формулируются понятия: атом, молекула, ион и т. д. q n Совершаются открытия: q закона сохранения массы (закон Лавуазье – Ломоносова) в середине XVIIIв. q закона постоянства состава (Пруст) - начало XIX в. q закон эквивалентов - начало XIX в. , и т. д.
Статистические и термодинамические свойства макросистем q Макротела начинают рассматриваться как системы, состоящие из большого числа частиц. n На повестке дня - изучение статистических и термодинамических свойств макросистем n n К концу XIX в. создается теория, описывающая свойства большой совокупности атомов и молекул с помощью статистического метода –молекулярно-кинетическая теория или статистическая механика Оперирует средними величинами, описывающими движение огромной совокупности частиц
Основные положения молекулярнокинетической теории 1) 2) 3) все тела состоят из частиц, размером которых можно пренебречь: атомов, молекул и ионов; частицы находятся в непрерывном хаотическом движении (тепловом); частицы взаимодействуют друг с другом путём абсолютно упругих столкновений. n Основное уравнение МКТ n где k является постоянной Больцмана (отношение универсальной газовой постоянной R к числу Авогадро NA), а i - число степеней свободы молекул. Основное уравнение МКТ связывает макроскопические параметры (давление, объём, температура) газовой системы с микроскопическими (масса молекул, средняя скорость их движения). n
Основное уравнения МКТ n Пусть Ек— среднее значение кинетической энергии всех молекул, тогда: В современной физике МКТ заменила n n откуда: физическая кинетика и статистическая механика. Для одного моля выражение примет вид :
Термодинамика n Классическая термодинамика XIX века изучала механическое действие теплоты. n В дальнейшем термодинамика включила в себя изучение превращений энергии во всех ее формах. n Термодинамика основана на небольшом числе утверждений - законов или начал n В законах термодинамики в сжатой форме сконцентрирован весь человеческий опыт по изучению свойств энергии в процессах ее превращений Единица измерения энергии — Джоуль
Термодинамика n Одно из основных достижений XIX в. – признание энергии как наиболее общего понятия, позволяющего рассматривать с единой точки зрения все явления и процессы. n n Понятие «энергия» пришло на смену введенному во времена Ньютона (XVII в. ) понятию «сила» . Энергия – это способность совершать работу Единица измерения энергии — Джоуль
Виды энергии: ‹♦› Механическая Электромагнитная Химическая n Ядерная n Тепловая Вакуума Гипотетические: n Тёмная Эне ргия — скалярная физическая величина мера различных форм движения материи и мера перехода движения материи из одних форм в другие
Закон сохранения энергии в макроскопических процессах 1 закон (первое начало)термодинамики: n XIX в. ознаменовался открытием одного из самых великих законов современной науки: n Закон сохранения и превращения энергии (общая формулировка): «Энергия в природе не возникает из ничего и не исчезает: количество энергии неизменно, оно только переходит из одной формы в другую» Внутренняя энергия (U) – энергия движения и взаимодействия огромного числа частиц, составляющих систему
Закон сохранения энергии в макроскопических процессах 1 закон (первое начало)термодинамики: n 1 закон ( первое начало) термодинамики: n n Q=∆U + А Теплота, подводимая к системе, расходуется на изменение внутренней энергии и совершение работы Невозможно создание вечного двигателя 1 рода, который совершал бы работу без затрат энергии
Концепция необратимости 2 закон (второе начала) термодинамики n q Второе начало термодинамики: устанавливает наличие в природе фундаментальной ассиметрии, т. е. однонаправленности всех самопроизвольно протекающих в ней процессов. q указывает естественное направление, в котором происходит изменение распределения энергии
Понятие энтропии S n n Энтропия S – ¨ мера беспорядка системы, состоящей из многих элементов Является функцией состояния системы – ее изменение не зависит от вида процесса и определяется только начальным и конечным состоянием системы n В случае изолированных систем понятие энтропии позволяет отличить ¨ обратимые процессы : S- max, const ¨ от необратимых: S ↑
Виды термодинамических систем n Открытые системы - обмениваются энергией и массой с окружающей средой n Закрытые - обмениваются энергией с окружающей средой n Замкнутые (изолированные) – не обмениваются ни массой , ни энергией
Понятие энтропии n d. S ≥ δQ /T n n где d. S - приращение энтропии; δQ - минимальная теплота подведенная к системе; T - абсолютная температура процесса, К S остаётся постоянной при обратимых процессах (=) n в необратимых — её изменение всегда положительно (›)
Принцип возрастания энтропии Для изолированных систем направление самопроизвольного протекания процесса определяется изменением энтропии S : ¨ В изолированных системах самопроизвольно могут протекать только такие процессы, в которых энтропия возрастает d. S ≥ 0 ¨ Энтропия системы, находящейся в равновесном состоянии, максимальна и постоянна. Ludwig Eduard Boltzmann
Формулировки 2 закона (второго начала) термодинамики 1) Невозможен самопроизвольный переход тепла от тела, менее нагретого, к телу, более нагретому 2) Невозможно создание вечного двигателя 2 рода, который бы периодически превращал энергию окружающей среды в работу 3) КПД (= работа/теплота) тепловых машин всегда ‹ 1
Принцип возрастания энтропии n Связь между энтропией системы S и ее упорядоченностью сформулировал австрийский физик Людвиг Больцман в 1872 г. n нем. Ludwig Eduard Boltzmann, ¨ 1844, Вена, Австрийская империя ¨ -1906, Дуино, Италия) австрийский физик-теоретик, основатель статистической механики и молекулярнокинетической теории. n n
Статистическая формулировка 2 закона термодинамики n n Термодинамическая вероятность системы пропорциональна энтропии этой системы S = к ln. W n n n W -термодинамическая вероятность, равная числу микроскопических способов, с помощью которых это состояние может быть достигнуто, К – постоянная Больцмана Система, предоставленная самой себе, стремится перейти в состояние с большим значением W 2 закон термодинамики является следствием статистических законов поведения большой совокупности частиц
К началу XX физика изучает материю в двух ее проявлениях –вещество и поле n n В механике Ньютона тела взаимодействуют на расстоянии и взаимодействие происходит мгновенно (принцип дальнодействия). Исследования М Фарадея и Дж. Максвелла привело к выводу: взаимодействие между телами осуществляется посредством тех или иных полей, непрерывно распределенных в пространстве (принцип близкодействия) n Свойства частиц вещества дискретность, ¨ конечность числа степеней свободы ¨ n Свойства поля непрерывность распространения в пространстве ¨ бесконечное число степеней свободы ¨
Теория электромагнитного поля n Фарадей в 30 -е годы : понятие электромагнитного поля n Электрическое и магнитное поле неразрывно взаимосвязаны и образуют единое электрическое поле n Максвелл приходит к выводу , что свет – это электромагнитная волна. n Неожиданное открытие : скорость света - постоянна Синусоидальная (гармоническая) электромагнитная волна Скорость c распространения электромагнитных волн в вакууме
Электромагнитная картина мира (вт. пол. XIX в. ) 1. 2. 3. 4. 5. Материя - единство двух видов: 1) вещество (прерывность) 2) поле (непрерывность) Колебательное движение в поле первично по отношению к механическому движению Принцип дальнодействия заменен принципом близкодействия − Представление о вероятности материальных процессов − Действие статистических законов в некоторых классах физических явлений Сформулированы новые фундаментальные законы природы 3. 4. 5. все взаимодействия в материальных телах передаются полем от одной точки к другой непрерывно и с конечной скоростью например, движение огромного множества молекул в газах закон сохранения и превращения энергии, принцип возрастания энтропии и др.
Эйнштейновская революция рубеж XIX—XX веков n n n Эпохальные открытия на рубеже XIX - XX веков стали основой неразрешимых противоречий между представлениями электромагнитной теории и новыми фактами и идеями Эйнштейновская революция Открытия: ¨ сложная структура атома ¨ явление радиоактивности ¨ дискретность характера электромагнитного излучения ¨ постоянство скорости света и др.
Создание специальной теории относительности (СТО) Альберт Абрахам Майкельсон n n Гендрик Лоренц Анри Пуанкаре Альберт Эйнштейн Предпосылка к созданию ТО - развитие в XIX веке электродинамики СТО была разработана в начале XX века усилиями Г. А. Лоренца, А. Пуанкаре, А. Эйнштейна и других учёных Экспериментальной основой для создания СТО послужил опыт Майкельсона. Результаты неожиданны для классической физики того времени: независимость скорости света от системы отсчёта. Попытка интерпретировать этот результат вылилась в пересмотр классических представлений, и привела к созданию СТО
Точные значения C: Метров в секунду 299 792 458 Планковских единиц1 Приблизительные значения C километров в секунду 300 000 n Время распространения светового луча в масштабной модели Земля-Луна. Для преодоления расстояния от поверхности Земли до поверхности Луны свету требуется 1, 255 с. n Впервые измерил скорость света Олаф Рёмер в 1676 году с помощью астрономических наблюдений. По его измерениям она составила 214300 км/сек.
Специальная теория относительности пространства-времени n СТО (релятивистская механика) теория, описывающая движение, законы механики и пространственновременные отношения при скоростях движения, близких к скорости света С= 300 000 км/с Уравнение Эйнштейна: E=mc 2
Постулаты СТО 1. Принцип относительности: все законы природы одинаковы во всех инерциальных системах отсчета 2. Принцип постоянства (инвариантности) скорости света: Скорость света в пустоте одинакова во всех инерциальных системах отсчета и не зависит от движения источников и приемников света Следствие ТО - связь между массой и энергией С= 300 000 км/с Уравнение Эйнштейна: E=mc 2 Инерциальная система отсчета система покоится, либо движется прямолинейно и равномерно относительно кокой-то другой системы, неподвижной или движущийся прямолинейно и с постоянной скоростью Инвариантность неизменность физических величин или свойств природных объектов при переходе от одной системы отсчета к другой
Следствие из формулы Эйнштейна n Если ядро атома урана распадается на два ядра с немного меньшей суммарной массой, то при этом должно выделяться огромное количество энергии n. Схема деления 235 U E=mc 2 с=3 • 108 м/с Энергии 1 г вещества хватит для работы 1000 Вт лампочки в течении 2850 лет
СТО Эйнштейн отбросил 2 абсолюта науки 19 в. : абсолютный покой, представленный эфиром, и абсолютное универсальное время n Объединяет пространство и время в единый четырехмерный пространственно-временной континуум n Пространственно-временные свойства тел зависят от скорости их движения ¨ ¨ ¨ пространственные размеры сокращаются в направлении движения приближении скорости тел к скорости света в вакууме временные процессы замедляются в быстродвижущихся системах, масса тела увеличивается.
Свойства времени Классическая физика Релятивистская физика Однородность - любой процесс в принципе Однородность повторим через некоторый промежуток времени Изотропность - независимость свойств от Изотропность направления Абсолютность: Относительность: а) вечность ? б) бесконечность ? в) независимость от материи Длительность - последовательность сменяющих друга моментов или состояний Длительность Одномерность Непрерывность ?
Свойства пространства Классическая физика Релятивистская физика Однородность одинаковость свойств во всех точках Однородность Изотропность - независимость свойств от направления Изотропность Абсолютность: Относительность: а) вечность ? б) бесконечность ? в) независимость от материи Трехмерность (длина, ширина, высота) Четырехмерный континуум Непрерывность ? Протяженность
E=mc 2 СТО ↑m массы любого объекта С= 300 000 км/с ↑ v скорости ↓l линейное сжатие объектов ↓ τ замедление хода времени Вселенная имеет 4 координаты 4 х-мерное «пространство – время» пространство и время относительны релятивистское замедление времени гравитационное - в сильном поле тяготения результаты измерения длины и времени зависят от того, движется наблюдатель или нет
Эквивалентность ускорения и гравитации n Хотя теория относительности полностью соответствует законам, которые управляются электричеством и магнетизмом, она несовместима с ньютоновским законом тяготения. n Эйнштейн понял, что есть связь между ускорением и гравитационным полем. Их эквивалентность должна работать, если пространствовремя окажется искривленным, а не плоским, как считалось в прошлом. ¨ Идея состояла в том, что масса и энергия должны изгибать пространство-время. ¨
Общая теория относительности - теория гравитации (1907 -1915) n Новая теория искривленного пространства-времени получила название общей теории относительности, чтобы отличить ее от первоначальной теории, которая не включала гравитацию и ныне известна как специальная СТО.
Общая теория относительности - теория гравитации (1907 -1915) n Общая теория относительности исходит из принципа эквивалентности инерционной и гравитационной масс, количественное равенство которых давно было установлено в классической физике n Кинематические эффекты, возникающие под действием гравитационных сил, эквивалентны эффектам, возникающим под действием ускорения. n В 1921 году
Общая теория относительности - теория гравитации (1907 -1915) n На основе принципа эквивалентности инерционной и гравитационной масс был обобщен принцип относительности, утверждающий в ОТО инвариантность законов природы в любых системах отсчета, как инерциальных, так и неинерциальных n Уравнения гравитационного поля, которые называются уравнениями Эйнштейна: n В 1921 году
Общая теория относительности - теория гравитации (1907 -1915) n Гравитационные эффекты обусловлены не силовым взаимодействием тел и полей, а деформацией самого пространства-времени Масса и энергия изгибают пространство-время В поле тяготения пространство-время обладает кривизной n В 1921 году
Искривление пространства массивным телом n n n Представим себе очень тонкий лист резины, и будем считать, что это – модель пространства. Расположим на этом листе шарики – модели звезд. Эти шарики будут прогибать лист резины тем больше, чем больше масса шарика. Это наглядно демонстрирует зависимость кривизны пространства от массы тела и показывает также, что привычная нам евклидова геометрия в данном случае не действует (работают геометрии Лобачевского и Римана).
Кривизна пространства-времени n n n Слабой кривизне соответствует ньютоновская гравитация В сильных гравитационных полях, создаваемых массивными космическими объектами, искривление пространствавремени становится существенным ОТО получила очень эффектное подтверждение в 1919 г. , когда британская экспедиция наблюдала в Западной Африке незначительное изгибание света звезды, проходящего вблизи Солнца во время затмения n n Артур Эддингтон показал, что свет от звезды искривлялся вблизи Солнца в точном соответствии с предсказаниями ОТО. Свет звезды проходит вблизи Солнца и отклоняется, поскольку Солнце искривляет пространство-время (а). Это приводит к небольшому смещению видимого положения звезды при наблюдении с Земли (б). Увидеть такое можно во время затмения.
Кривизна пространства-времени n Вокруг массивного тела при очень большой плотности вещества искривление становится настолько существенным, что пространство-время как бы замыкается локально само на себя, отделяя данное тело от остальной Вселенной и образуя черную дыру ¨ Черная дыра поглощает материальные объекты и электромагнитное излучение ¨ Внутри черной дыры наступает конец времени.
Квантовая механика n n Другая революционная концепция 20 в. - квантовая теория. Первый шаг в сторону квантовой теории был сделан в 1900 г. ¨ n Макс Планк в Берлине открыл, что свечение разогретого докрасна тела м. объяснить, если свет испускается и поглощается только дискретными порциями – квантами Новую картину физической реальности, получившей название квантовой механики, разработали: Вернер Гейзенберг в Копенгагене, ¨ Пол Дирак в Кембридже и ¨ Эрвин Шрёдингер в Цюрихе. ¨
Исходные положения квантовой механики: n 1. Все объекты микромира обладают корпускулярноволновой двойственностью, т. е ведут себя и как частица и как волна Корпускулярно-волновые свойства объектов микромира описывает уравнение Луи де Бройля (1924 г. ) m-масса, v – скорость микрочастицы Волновые свойства – способность к дифракции и интерференции n Корпускулярные свойства описываются уравнением Макса Планка ( 1900 г): E=hν h ~10 -34 Дж*с Е –энергия кванта, h- постоянная Планка, ν -частота электромагнитных колебаний n Волновые свойства выражаются уравнением λν=с, λ- длина волны, с – скорость распространения В то же время микрочастица обладает и некоторой массой m в соответствии с уравнением Эйнштейна: E=mc 2
Исходные положения квантовой механики: n 2. Принцип неопределенности Вернера Гейзенберга (1927) Невозможно одновременно с одинаковой точностью определить положение и импульс элементарной частицы. Чем точнее определяется импульс p (p=mv), тем больше будет неточность в определении координат, и наоборот. n n n ∆px • ∆x ≥h ∆py • ∆y ≥h ∆pz • ∆z ≥h, где ∆x, ∆y, ∆z-неопределенности координат ∆px, ∆py, ∆pz -неопределенности импульсов В повседневной жизни мы обычно не наблюдаем неопределенность потому, что значение h очень мало h ~10 -34 Дж*с
Свет n Свет — электромагнитное излучение, испускаемое нагретым или находящимся в возбуждённом состоянии веществом, воспринимаемое человеческим глазом. n Эйнштейн пришел к выводу , что электромагни тное излуче ние может существовать только в форма квантов. Излучения – поток фотонов. n Фотоны, как и все объекты микромира, обладают корпускулярно-волновой двойственностью. n Электромагни тное излуче ние (электромагнитные волны) — распространяющееся в пространстве возмущение (изменение состояния) электромагнитного поля (то есть, взаимодействующих друг с другом электрического и магнитного полей).
Электромагнитное излучение Название диапазона Длины волн, λ Радиоволны Сверхдлинные более 10 км Длинные 10 км — 1 км Средние 1 км — 100 м Короткие 100 м — 10 м Ультракороткие 10 м — 1 мм Инфракрасное излучение 1 мм — 780 нм Видимое (оптическое) излучение 780— 380 нм Ультрафиолетовое 380 — 10 нм Рентгеновские 10 — 5× 10− 3 нм Гамма менее 5× 10− 3 нм Электромагни тное излуче ние (электромагнитные волны) — распространяющееся в пространстве возмущение (изменение состояния) электромагнитного поля (то есть, взаимодействующих друг с другом электрического и магнитного полей
Принципы 1) 2) 3) Принцип неопределенности Гейзенберга Принцип дополнительности (комплементарности) Бора 1) Можно говорить лишь о вероятности того, где в данный момент находится микрочастица 2) Любое явление в микромире должно включать в себя взаимодействие с макроскопическим прибором. С его помощью можно исследовать либо корпускулярные свойства микрообъекта, либо - волновые, но не те и другие одновременно. Концепция целостности 3) Мир – единая целостная единица, несводимая к механическому разложению на составляющие части
Квантово-полевая картина мира 1. 2. 3. 4. 5. 6. Материя обладает одновременно и корпускулярными, и волновыми свойствами Отказ от постулата о неизменности материи Представление о едином пространственно-временном континууме Фундаментальными признаны статистические законы, частной формой которых выступают динамические Постулат о закономерной взаимосвязи свойств изучаемых объектов и наблюдателя (человека) Фундаментальная согласованность основных законов и свойств Вселенной с существованием в ней жизни и разума 2. Переход квантового поля из одного состояния в другое сопровождается взаимопревращением частиц друг в друга, аннигиляцией одних частиц и порождением других 3. Трансформируется понимание о закономерности и причинности, их вероятностной природе
Единая теория поля современная физическая исследовательская программа n n 1. 2. 3. 4. n Тео рия всего (англ. Theory of everything, TOE) — гипотетическая объединённая физико-математическая теория, описывающая все известные фундаментальные взаимодействия. Современная физика требует от «теории всего» объединения четырёх известных в настоящее время фундаментальных взаимодействий: гравитационное взаимодействие, электромагнитное взаимодействие, сильное ядерное взаимодействие, слабое ядерное взаимодействие Кроме того, она должна объяснять существование всех элементарных частиц.
Краткий обзор различных семейств элементарных и составных частиц, и теории, описывающие их взаимодействия
Станда ртная моде ль n n n Станда ртная моде ль — теоретическая конструкция в физике элементарных частиц, описывающая электромагнитное, слабое и сильное взаимодействие всех элементарных частиц. Не включает в себя гравитацию. Экспериментальное подтверждение существования промежуточных векторных бозонов в середине 80 -х годов завершило построение Стандартной модели и её принятие как основной. n Подтверждение существования бозона Хиггса в 2012 году завершило экспериментальное обнаружение предсказываемых Стандартной моделью элементарных частиц.
Станда ртная моде ль – теория всех негравитационных сил, действующих в природе n Кварки участвуют в ¨ сильных ¨ слабых ¨ электромагнитных взаимодействиях n заряжённые лептоны (электрон, мюон, таулептон) ¨ слабых ¨ электромагнитных n нейтрино ¨ только в слабых взаимодействиях Элементарные частицы - фермионы атом
Формирующаяся научная картина мира — эволюционно-синергетическая (последняя четверть XX века) n q q n Развитие рассматривается как универсальный (осуществляющийся везде и всегда) глобальный (охватывающий все и вся) процесс (концепция универсального или глобального эволюционизма) Само развитие трактуется как самодетерминированный нелинейный процесс самоорганизации неравновновесных открытых систем
Глобальный эволюционизм n n В единое целое связываются: -происхождение Вселенной, -возникновение Солнечной системы и Земли, -возникновение жизни -возникновение человека и общества Вселенная определяется как развивающееся во времени природное целое Вся история Вселенной от Большого взрыва до возникновения общества рассматривается как единый процесс Космический, химический, биологический и социальный типы эволюции преемственно и генетически связаны между собой
Теоретический каркас эволюционносинергетической картины мира: n теория самоорганизации (синергетика) n теория систем (системология) n информационный подход (информация понимается как атрибут материи наряду с движением, пространством и временем)
Скачать презентацию Структурные образования научного знания могут выступать в виде
6 - Научн.рев. и науч.картины мира.ppt