У радио нет будущего. Летательные аппараты тяжелее воздуха невозможны. Скоро выяснится, что рентгеновские лучи - мистификация. Лорд Кельвин, физик, 1899 г. Эта [атомная] бомба никогда не взорвется. Я говорю это как специалист по взрывчатым веществам. Адмирал Уильям Лихи Иерархия материальных систем Структурная иерархия материальных систем: микромир, макромир, мегамир. Фундаментальные взаимодействия в естествознании. Пространство и время. Основные понятия СТО. Симметрия и законы сохранения. Дискретность и непрерывность в описании материальных систем.
Микромир – это область предельно малых, непосредственно ненаблюдаемых материальных микрообъектов, размер которых исчисляется в диапазоне от 10 -8 до 10 -16 см, а время жизни – от бесконечности до 10 -24 с. Это мир от атомов до элементарных частиц. Все они обладают как волновыми, так и корпускулярными свойствами. Структурная иерархия материальных систем: микромир, макромир, мегамир.
Макромир – мир материальных объектов, соизмеримых по своим масштабом с человеком. На этом уровне пространственные величины измеряются от миллиметров до километров, а время – от секунд до лет. Макромир представлен макромолекулами, веществами в различных агрегатных состояниях, живыми организмами. Структурная иерархия материальных систем: микромир, макромир, мегамир.
Мегамир – сфера огромных космических масштабов и скоростей, расстояние в которой измеряется астрономическими единицами (1 а. е. = 8, 3 световых минуты), световыми годами (1 световой год = 10 трлн км) и парсеками (1 пк = 30 трлн км), а время существования космических объектов – миллионами и миллиардами лет. К этому уровню относятся наиболее крупные материальные объекты: планеты и их системы, звезды, галактики и их скопления, образующие метагалактики. Структурная иерархия материальных систем: микромир, макромир, мегамир.
Основные приставки к единицам измерений Имя фемто Символ Фактор фм (f) 10 -15 пико п (p) 10 -12 нано н (n) 10 -9 микро мк (μ) 10 -6 милли м (m) 10 -3 кило к (k) 103 Мега М (M) 106 Гига Г (G) 109 Терра Т (T) 1012 Структурная иерархия материальных систем: микромир, макромир, мегамир.
Всего известно четыре вида взаимодействия: гравитационное, электромагнитное, сильное, слабое. Фундаментальные взаимодействия
Гравитационное взаимодействие проявляется во взаимном притяжении любых материальных объектов, имеющих массу, передается посредством гравитационного поля и определяется законом всемирного тяготения. Гравитационные взаимодействия определяют строение всей Вселенной: образование всех космических систем; существование планет, звезд и галактик. Фундаментальные взаимодействия
Электромагнитное взаимодействие является универсальным и существует между любыми телами в микро-, макро– и мегамире. Электромагнитное взаимодействие обусловлено электрическими зарядами и передается с помощью электрического и магнитного полей. Описывается: законом Кулона, законом Ампера и в обобщенном виде – электромагнитной теорией Максвелла Фундаментальные взаимодействия
Сильное взаимодействие обеспечивает связь нуклонов в ядре. Данное взаимодействие определяется ядерными силами, обладающими зарядовой независимостью, короткодействием, насыщением и другими свойствами и отвечает за стабильность атомных ядер. С помощью сильного взаимодействия ученые объяснили, почему протоны ядра атома не разлетаются под действием электромагнитных сил отталкивания. Сильное взаимодействие передается глюонами – частицами, «склеивающими» кварки, которые входят в состав протонов, нейтронов и других частиц. Фундаментальные взаимодействия
Слабое взаимодействие действует только в микромире. В этом взаимодействии участвуют все элементарные частицы, кроме фотона. Оно обеспечивает целостность элементарных частиц. Переносчиками слабого взаимодействия принято считать частицы с массой в 100 раз больше массы протонов – промежуточные векторные бозоны. Фундаментальные взаимодействия
Характеристики фундаментальных взаимодействий Фундаментальные взаимодействия
◦ фотон — частица, переносящая электромагни тное взаимодействие; ◦ восемь глюонов — частиц, переносящих сильное калибровочные бозоны — взаимодействие; частицы, посредством обмена которыми ◦ три промежуточных осуществляются взаимодействия векторных бозона W+, W− и Z 0, переносящие слабое взаимодействие; ◦ Гравитон ? Фундаментальные взаимодействия
Характер физических законов существенно зависит от масштаба исследуемых явлений, и принято говорить о микро-, макро- и мегамире. Объектами микромира являются атомные ядра и молекулы, атомы и элементарные частицы. К объектам макромира относят живую клетку, человека и соизмеримые с ним предметы. Мегамир — это планеты, Солнце, звезды, галактики и вся Вселенная в целом. В мегамире существенную роль играют эффекты СТО и ОТО, преобладающим взаимодействием является гравитационное. В макромире законы движения тел определяются классической механикой, а в микромире — квантовой физикой. Фундаментальные взаимодействия
Древние греки стремились осмыслить пространство и время научно. Так возникли две точные науки: геометрия и астрономия. Первая возникла из потребности измерять пространство, а вторая – время. Существует две концепции в понимании пространства и времени. Субстанциальная концепция (Демокрит – И. Ньютон) 1. Пространство и время существуют сами по себе, независимо от движущейся материи и друга. В них «погружены» , «помещены» материальные объекты. 2. Пространство – пустое вместилище для тел. Тела, находясь в пространстве и двигаясь в нем, не взаимодействуют с ним. Пространство является абсолютной системой отсчета и остается всегда неподвижным, однородным, обладает всюду, во всех точках и направлениях одинаковыми геометрическими свойствами. Абсолютное пространство, благодаря своей природе, безотносительно к чему-либо внешнему, остается всегда одинаковым и неподвижным (И. Ньютон). Пространство и время
«Эти понятия общеизвестны, однако необходимо заметить, что они относятся обыкновенно к тому, что постигается нашими чувствами. Отсюда происходят Неправильные суждения, для устранения которых необходимо вышеприведенные понятия разделить на абсолютные и относительные, истинные и кажущиеся, математические и обыденные: Пространство и время
«Абсолютное, истинное математическое время само по себе и по своей сущности без всякого отношения к чему -либо внешнему протекает равномерно и иначе называется длительностью. 2. Абсолютное пространство по самой своей сущности безотносительно к чему бы то ни было внешнему остается всегда одинаковым и неподвижным… 3. Место есть часть пространства, занимаемого телом, и по отношению к пространству бывает или абсолютным, или относительным. 4. Абсолютное движение есть перемещение тела из одного абсолютного места в другое» Ньютон 1. Пространство и время
3. Время – чистая длительность. Свойства времени не зависят от материальных объектов и протекающих процессов. Это положение лежит в основе классической механики Ньютона. Время является абсолютной системой отсчета, благодаря чему якобы становится возможным измерение во времени тех или иных реальных процессов, происходящих в пустом пространстве. Но эти реальные процессы, происходящие во времени, не взаимодействуют с абсолютным временем. Само время, как и пространство, остается всегда одинаковым, т. е. чистой длительностью. Именно поэтому оно и является абсолютной системой отсчета. Время и пространство лишь прикладываются к материальным объектам, а сами существуют независимо. Пространство и время
Реляционная концепция (Аристотель – Г. Лейбниц) Пространство и время не особые субстанциальные сущности, а формы существования материальных объектов. Пространство выражает сосуществование объектов, характеризует структурность и протяженность материальных систем. Пространственными характеристиками являются координаты других тел. Время – последовательность состояний тел, мера движения, продолжительности процессов. Пространство и время
Свойства пространства 1. 2. 3. 4. 5. Однородность – все точки равноправны; Изотропность проявляется в том, что физические свойства и законы движения замкнутой системы не зависят от выбора направления осей координат; Трехмерность (длина, ширина, высота); Объективность, т. е. независимость от человеческого сознания; Протяженность. Пространство и время
Свойства времени Однородность времени позволяет произвольным образом сдвигать начало отсчёта времени; 2. Необратимость; 3. Объективность, т. е. независимость от человеческого сознания; 4. Длительность. 1. Пространство и время
Евклидова геометрия Прямоугольная система координат Трехмерное пространство Пространство однородно , изотропно и бесконечно Пространство и время
По Ньютону, мир состоит из материи, пространства и времени. Эти три категории независимы друг от друга. Материя размещается в бесконечном пространстве. Движение материи происходит в пространстве и времени. Абсолютное время существует и длится равномерно само по себе, безотносительно к каким-либо событиям. Абсолютное пространство и абсолютное время представляют собой вместилище всех материальных тел и пространств и не зависят ни от этих тел, ни от этих процессов, ни друг от друга. Пространство и время
Трудно представить себе абсолютную пустоту — полный вакуум, не содержащий чего бы то ни было. Человеческое сознание стремится заполнить его хоть чем-то материальным, и на протяжении долгих веков человеческой истории считалось, что мировое пространство заполнено эфиром. Идея состояла в том, что все пространство заполнено какой-то невидимой и неосязаемой тонкой субстанцией. Когда была получена система уравнений Максвела, предсказывающая, что свет распространяется в пространстве с конечной скоростью, даже сам автор этой теории полагал, что электромагнитные волны распространяются в среде, подобно тому, как акустические волны распространяются в воздухе, а морские — в воде. В первой половине XIX столетия ученые даже тщательно проработали теоретическую модель эфира и механику распространения света, включая всевозможные рычаги и оси, якобы способствующие распространению колебательных световых волн в эфире. l В 1887 году два американских физика — Альберт Майкельсон и Генри Морли — решили совместно провести эксперимент, призванный раз и навсегда доказать скептикам, что светоносный эфир реально существует, наполняет Вселенную и служит средой, в которой распространяются свет и прочие электромагнитные волны. Майкельсон обладал непререкаемым авторитетом как конструктор оптических приборов, а Морли славился как неутомимый и непогрешимый физик -экспериментатор. Пространство и время
Появившаяся в 1905 г. теория относительности Альберта Эйнштейна решила многовековой спор в пользу реляционного понимания пространства и времени. Пространство и время оказались неразрывно связанными с материей. Свойства пространства и времени зависят от распределения гравитационных масс. Вблизи тяжёлых объектов свойства пространства и времени отклоняются от привычных нам (эвклидовских Пространство и время
Пространственно-временной континуум С точки зрения Эйнштейна, физическое пространство, постигаемое через объекты и их движения, имеет три измерения и положение объектов характеризуется тремя числами. Момент события — четвертое число. Потому мир событий есть четырехмерный континуум. Пространство и время
Специальная теория относительности (СТО) Два постулата Эйнштейна в СТО: никакими физическими опытами внутри данной системы отсчета нельзя установить, движется эта система равномерно или покоится. При этом пространство и время являются связанными друг с другом принцип постоянства скорости света в вакууме, которая примерно равна 300 000 км/с. Релятивистские эффекты 1. Увеличение массы по сравнению с массой покоя. 2. Сокращение линейных размеров тела в направлении его движения. 3. Замедление времени. Основные понятия СТО
СТО установила, что абсолютной одновременности событий, происходящих в разных системах, т. е. в разных условиях движения, не может быть, ибо не существует единого всегда и везде равномерного потока времени, что эта одновременность носит относительный характер. Пространственные и временные характеристики в различных соотносительных материальных системах отсчета будут различными. Эти изменения зависят от скорости относительного движения тел. По мере возрастания скорости движения длина движущегося тела в направлении движения сокращается и течение времени соответственно замедляется (релятивистское замедление времени). Если космический корабль с большой скоростью проносится мимо, то неподвижному наблюдателю его длина кажется короче. Чем ближе к скорости света, тем более становится этот эффект. При с = 300 тыс. км/с, длина тела = 0. В таком космическом корабле время течет медленнее. Отсюда парадокс близнецов, которые будут стареть неравномерно, если один из них отправился с космической скоростью в путешествие. Когда атомные часы отправляли на сверхзвуковом самолете в кругосветный перелет, то по возвращению на Землю разница во времени составляла около 40 атомных единиц. Основные понятия СТО
Согласно Эйнштейну, скорость света представляет собой абсолютный предел скорости, быстрее которого не может двигаться ничто во Вселенной. Даже самые мощные наши ускорители, способные придавать частицам невероятные энергии — частицы с такой энергией можно обнаружить только в центре взрывающейся звезды или, скажем, в момент Большого взрыва, — не могут разогнать элементарные частицы до скорости, превышающей скорость света. Очевидно, скорость света — абсолютный гаишник Вселенной. Основные понятия СТО
Понятие «масса» фигурирует в двух разных законах – во втором законе Ньютона и в законе всемирного тяготения. В первом случае она характеризует инертные свойства тела, во втором – гравитационные свойства, то есть способность тел притягиваться друг к другу. В связи с этим возникает вопрос, не следует ли различать инертную массу min и массу гравитационную (или тяготеющую) mg? Ответ на этот вопрос может дать только опыт. Всякое тело вблизи поверхности Земли испытывает силу притяжения Под действием этой силы тело приобретает ускорение: Опыт показывает, что ускорение а для всех тел одинаково: a = g. Следовательно, и mg = min. Поэтому говорят просто о массе. 1867 г. Ньютон доказал это равенство с точностью до 10 -3. 1901 г. Венгерский физик Этвеш получил такое совпадение с точностью до 10 -8. 1964 г. Американский ученый Дикке улучшил точность измерения в 300 раз. Тождественность инерциальной и гравитационной масс Эйнштейн положил в основу общей теории относительности. Следствием этого является тот факт, что, находясь внутри закрытой кабины, невозможно определить, чем вызвана сила mg: тем, что кабина движется с ускорением a = g или действием притяжения Земли. Общая теория относительности
Суть парадокса близнецов состоит в следующем. Пусть П (путешественник) и Д (домосед) — братья-близнецы. П отправляется в длительное космическое путешествие, а Д остается дома. Через некоторое время П возвращается. Основную часть пути П движется по инерции, с постоянной скоростью (время на разгон, торможение, остановки пренебрежимо мало по сравнению с общим временем путешествия и им пренебрегаем). Движение с постоянной скоростью относительно, т. е. если П удаляется (приближается, покоится) относительно Д, то и Д также удаляется (приближается, покоится) относительно П — назовем это симметрией близнецов. Далее, в соответствии с СТО, время для П, с точки зрения Д, течет медленнее, чем собственное время Д, т. е. собственное время путешествия П меньше, времени ожидания Д. В этом случае говорят, что по возвращению П моложе Д. Это утверждение, само по себе, не является парадоксом, это следствие релятивистского замедления времени. Парадокс же состоит в том, что Д , в силу симметрии, может, с таким же правом, считать себя путешественником, а П домоседом, и тогда Д моложе П. Ускорениями П нельзя пренебрегать, т. е. его система отсчета не является инерциальной, в его системе отсчета временами возникают силы инерции, и следовательно — никакой симметрии нет. Кроме того, в системе отсчета П ускорение эквивалентно появлению гравитационного поля, в котором время также замедляется (это уже на основании общей теории относительности). Таким образом, время П замедляется как в системе отсчета Д (по СТО, когда П движется по инерции), так и в системе отсчета П (по ОТО, когда он ускоряется), т. е. замедление времени П становится абсолютным. Окончательный вывод : П, по возвращению, моложе Д, и это не является парадоксом ! Пространство и время
Общая теория относительности (ОТО) основывается на двух постулатах специальной теории относительности и формулирует третий постулат – принцип эквивалентности инертной и гравитационной масс Важнейшим выводом ОТО является положение об изменении геометрических (пространственных) и временных характеристик в гравитационных полях (а не только при движении с большими скоростями). Гравитационное поле влияет на движение не только массивных тел, но и света. Основные понятия СТО и ОТО
Парадокс близнецов Путешествия в будущее возможны, и это экспериментально подтверждено уже миллионы раз. Даже путешествие героя «Машины времени» в далекое будущее в принципе возможно. Если астронавт будет двигаться с околосветовой скоростью, на дорогу до одной из ближайших звезд ему может потребоваться, скажем, одна минута. На Земле при этом пройдет четыре года, но для него лично время сдвинется всего лишь на одну минуту, потому что время в корабле сильно замедлится. Получится, что астронавт при этом переместится в будущее Земли на четыре года. (Вообще говоря, наши астронавты совершают короткое путешествие в будущее каждый раз, когда летают в космос. Пока они летают вокруг Земли со скоростью 8 км/с, их часы идут чуть медленнее, чем часы на Земле. Можно подсчитать, что за время годичной экспедиции на космической станции они к моменту возвращения на Землю перемещаются в будущее на долю секунды. Мировой рекорд в путешествиях во времени принадлежит в настоящее время российским космонавтам Сергею Авдееву и и Сергею Крикалеву , который за 748 суток и 803 суток проведенных на орбите, переместились в будущее уже на 0, 02 с. ) Общая теория относительно
В 1990 г. Хокинг бросил миру физики вызов. Он заявил: должен существовать закон, запрещающий путешествия во времени. Иначе говоря, он предложил «гипотезу о защите хронологии» , которая исключила бы путешествия во времени на основании законов природы и «сохранила историю для историков» . Но произошло неожиданное. Как они ни старались, физики не могли отыскать закон, который прямо запрещал бы путешествия во времени. По всей видимости, они ни в чем не противоречат известным законам природы. Сам Хокинг, также не в состоянии выявить запрет, не так давно изменил свое мнение. Он снова попал в заголовки газет, заявив: «Если путешествия во времени и возможны, то они неосуществимы» . Уравнения Эйнштейна допускают существование множества разных типов машины времени. (Правда, пока неясно, устоят ли они перед проверкой при помощи квантовой теории. ) Более того, в теории Эйнштейна мы часто встречаем нечто под названием «замкнутая времяподобная кривая» ; это технический термин для путей, которые позволяют путешествия в прошлое. Если следовать вдоль замкнутой времяподобной кривой, то можно вернуться из путешествия раньше, чем мы в него отправились. Первый тип машины времени предусматривает использование кротовых нор. Уравнения Эйнштейна имеют немало решений, соединяющих две удаленные точки пространства. Но поскольку время и пространство в теории Эйнштейна тесно переплетены, эта же кротовая нора может и соединять две точки во времени. Упав в кротовую нору, можно переместиться (по крайней мере, математически) в прошлое. Вроде бы после этого можно вновь переместиться в первоначальную точку и встретить там самого себя перед стартом. Другая машина времени может «работать» во вращающейся Вселенной. В 1949 г. знаменитый математик Курт Гёдель нашел первое решение уравнений Эйнштейна, имеющее отношение к путешествиям во времени. Если Вселенная вращается, то, обогнув ее достаточно быстро, можно оказаться в прошлом и попасть в точку старта раньше, чем вы оттуда отправились. Получается, что путешествие вокруг Вселенной одновременно является путешествием назад во времени. Когда в Институте перспективных исследований появлялись астрономы, Гёдель часто спрашивал, имеются ли у них доказательства того, что Вселенная вращается. К его разочарованию, те отвечали, что Вселенная точно расширяется, но вот суммарный спин Вселенной, вероятно, равен нулю. Основные понятия СТО
В вечной смене явлений окружающего мира ум человеческий стремится найти нечто постоянное, незыблемое, на что он мог бы опереться, чтобы разобраться в хаосе набегающих на него разнородных впечатлений. В своих поисках простых представлений физики обнаружили несколько фундаментальных законов, известных теперь под названием ЗАКОНЫ СОХРАНЕНИЯ В природе возможны только такие процессы, которые не нарушают законов сохранения Симметрия и законы сохранения
Законы сохранения 1. Закон сохранения импульса. Импульсом, называют произведение скорости на массу движущегося тела. 2. Закон сохранения момента импульса Вращение твердых тел удобно характеризовать физической величиной, которая называется моментом импульса. 3. Закон сохранения энергии 4. Закон сохранения заряда Симметрия и законы сохранения
Но нельзя ли свести законы сохранения к чему-то еще более фундаментальному, не отражены ли в этих законах какиенибудь основные свойства материи и движения? Однородность, соразмерность, гармония в расположении частей целого Такое свойство объекта, когда путем применения некоторых операций он переходит сам в себя (поворот, зеркальное отражение, перенос) (симметрия пространства) Симметрия и законы сохранения
Под симметрией понимают пропорциональность, гармонию каких-то материальных объектов. В физике симметрия определяется следующим образом: если физические законы не меняются при определенных преобразованиях, которым может быть подвергнута система (физический объект), то считается, что эти законы обладают симметрией (или инвариантны) относительно этих преобразований. Симметрия и законы сохранения
Пространственно-временные симметрии 1. Сдвиг времени. Изменение начала отсчета не изменяет физических законов. Время однородно по всему пространству. 2. Сдвиг системы отсчета пространственных координат. Такая операция не изменяет физических законов. Все точки пространства равноправны, и пространство однородно. 3. Поворот системы отсчета пространственных координат также сохраняет физические законы неизменными – значит, пространство изотропно. 4. Классический принцип относительности Галилея устанавливает симметрию между покоем и равномерным прямолинейным движением. 5. Обращение знака времени не изменяет фундаментальных законов в макромире Симметрия и законы сохранения
Волны. Интерференция. Дифракция. Эффект Доплера. Концепция атомизма. Корпускулярно – волновой дуализм Фотоны Дискретность и непрерывность в описании материальных систем
Классическая механика Квантовая механика Теория относительности Оптика Ограниченность естественнонаучных законов.
1. Наука и ее место в культуре 2. Структура науки 3. Особенность научного знания 4. Наука и философия 5. Наука и религия 6. Паранаука и псевдонаука
Скачать презентацию У радио нет будущего Летательные аппараты тяжелее воздуха
Иерархия материальных систем_3.ppt