Естествознание и динамизм окружающего мира

Все прежние картины мира создавались  как бы извне - исследователь изучал окружающий мир отстранено, вне связи  с собой, в полной уверенности, что  можно исследовать явления, не нарушая  их течения. Такова была веками закреплявшаяся естественнонаучная традиция. Теперь научная картина мира создается  уже не извне, а изнутри, сам исследователь  становится неотъемлемой частью создаваемой  им картины. Очень многое нам еще  неясно и скрыто от нашего взора. Тем  не менее, сейчас перед нами развертывается грандиозная гипотетическая картина  процесса самоорганизации материи  от Большего Взрыва до современного этапа, когда материя познает себя, когда  ей присущ разум, способный обеспечить ее целенаправленное развитие.

Наиболее характерной чертой современной  естественно - научной картины мира является ее эволюционность. Эволюция происходит во всех областях материального мира в неживой природе, живой природе и социальном обществе.

3.Постулаты специальной  теории относительности (СТО). Принципы  относительности и инвариантности. Постулаты СТО. Преобразования  Лоренца.

Классическая механика Ньютона прекрасно описывает  движение макротел, движущихся с малыми скоростями (υ << c). В нерелятивистской физике принималось как очевидный факт существование единого мирового времени t, одинакового во всех системах отсчета. В основе классической механики лежит механический принцип относительности(или принцип относительности Галилея): законы динамики одинаковы во всех инерциальных системах отсчета.Этот принцип означает, что законы динамики инвариантны (то есть неизменны) относительно преобразований Галилея, которые позволяют вычислить координаты движущегося тела в одной инерциальной системе (K), если заданы координаты этого тела в другой инерциальной системе (K'). В частном случае, когда система K' движется со скоростью υ вдоль положительного направления оси x системы K (рис.1), преобразования Галилея имеют вид:

x = x' + υt,   y = y',   z = z',   t = t'.

Предполагается, что  в начальный момент оси координат  обеих систем совпадают.

Рисунок 1 Две инерциальные системы отсчета K и K'.

Из преобразований Галилея следует классический закон преобразования скоростей при переходе от одной системы отсчета к другой:

ux = u'x + υ,   u y = u'y,   u z = u'z.

Ускорения тела во всех инерциальных системах оказываются  одинаковыми:

Следовательно, уравнение  движения классической механики (второй закон Ньютона)   не меняет своего вида при переходе от одной инерциальной системы к другой.

К концу XIX века начали накапливаться опытные факты, которые вступили в противоречие с законами классической механики. Большие затруднения возникли при попытках применить механику Ньютона к объяснению распространения света. Предположение о том, что свет распространяется в особой среде – эфире, было опровергнуто многочисленными экспериментами. А. Майкельсон в 1881 году, а затем в 1887 году совместно с Э. Морли (оба – американские физики) пытался обнаружить движение Земли относительно эфира («эфирный ветер») с помощью интерференционного опыта. Упрощенная схема опыта Майкельсона–Морли представлена на рис.2.

Рисунок 2. Упрощенная схема интерференционного опыта  Майкельсона–Морли.   – орбитальная скорость Земли.

В этом опыте одно из плеч интерферометра Майкельсона  устанавливалось параллельно направлению  орбитальной скорости Земли (υ = 30 км/с). Затем прибор поворачивался на 90°, и второе плечо оказывалось ориентированным по направлению орбитальной скорости. Расчеты показывали, что если бы неподвижный эфир существовал, то при повороте прибора интерференционные полосы должны были сместиться на расстояние, пропорциональное (υ / c)². Опыт Майкельсона–Морли, неоднократно повторенный впоследствии со все более возрастающей точностью, дал отрицательный результат. Анализ результатов опыта Майкельсона–Морли и ряда других экспериментов позволил сделать вывод о том, что представления об эфире как среде, в которой распространяются световые волны, ошибочно. Следовательно, для света не существует избранной (абсолютной) системы отсчета.   

В основе О. т.(относительной  теории) лежит принцип относительности, согласно которому в физической системе, приведённой в состояние свободного равномерного и прямолинейного движения относительно системы, условно называется «покоящейся», для наблюдателя, движущегося  вместе с системой, все процессы происходят по тем же законам, что  и в «покоящейся» системе. Говорят, что движущаяся система получается из «покоящейся» преобразованием движения и что принцип относительности  выражает инвариантность (независимость) законов природы относительно преобразований движения.        

 Справедливость принципа  относительности означает, что различие  между состояниями покоя и  равномерного прямолинейного движения  не имеет физического содержания. Если физическая системаВ движется равномерно и прямолинейно (со скоростью V ) относительно системы А, то с тем же правом можно считать, что А движется относительно В (со скоростью V). Термин «принцип относительности» связан с тем, что если преобразованию движения подвергнуть систему движущихся тел, то все относительные движения этих тел останутся неизменными.         

 Наряду с принципом  относительности из опыта известны  и др. принципы инвариантности, или,  как ещё говорят, симметрии,  законов природы. Любой физический  процесс происходит точно так  же:        

 если осуществить его  в любой др. точке пространства; эта симметрия выражает равноправие  всех точек пространства, однородность  пространства;        

 если систему, в  которой происходит процесс, повернуть  на произвольный угол; эта симметрия  выражает равноправие всех направлений  в пространстве, изотропию пространства;         

 если повторить процесс  через некоторый промежуток времени;  эта симметрия выражает однородность  времени.

Лоренца преобразования, в специальной теории относительности — преобразования координат и времени какого-либо события при переходе от одной инерциональной системы отсчета к другой. Получены в 1904 Х. А.  Лоренцом как преобразования, по отношению к которым уравнения классической микроскопической электродинамики сохраняют свой вид. В 1905 А. Эйнштейн вывел их, исходя из двух постулатов, составивших основу специальной теории относительности: равноправия всех инерциальных систем отсчёта и независимости скорости распространения света в вакууме от движения источника света.

Рассмотрим частный случай двух инерциальных систем отсчёта å и  å’ с осями х и x’, лежащими на одной прямой, и соответственно параллельными  другими осями (у и y’, z и z’). Если система å’ движется относительно å с постоянной скоростью u в направлении  оси х, то Л. п. при переходе от å  к å’ имеют вид:

 , 

где с — скорость света в вакууме (штрихованные координаты относятся к системе å’, нештрихованные — к å).

Л. п. приводят к ряду важных следствий, в том числе к зависимости  линейных размеров тел и промежутков  времени от выбранной системы  отсчёта, к закону сложения скоростей  в теории относительности и др. При скоростях движения, малых  по сравнению со скоростью света (u<<c), Л. п. переходят в преобразования Галилея, справедливые в классической механике Ньютона.

4. Начала термодинамики  и невозможность создать вечный  двигатель.

Начала термодинамики — совокупность постулатов, лежащих в основе термодинамики. Эти положения были установлены в результате научных исследований и были доказаны экспериментально. В качестве постулатов они принимаются для того, чтобы термодинамику можно было построить аксиоматически.

Необходимость начал термодинамики  связана с тем, что термодинамика  описывает макроскопические параметры  систем без конкретных предположений  относительно их микроскопического  устройства. Вопросами внутреннего  устройства занимается статистическая физика.

Начала термодинамики независимы, то есть ни одно из них не может быть выведено из других начал.

Перечень  начал термодинамики

Первое начало термодинамики представляет собой закон сохранения энергии в применении к термодинамическим системам.

Второе начало термодинамики накладывает ограничения на направление термодинамических процессов, запрещая самопроизвольную передачу тепла от менее нагретых тел к более нагретым. Также формулируется как закон возрастания энтропии.

Третье начало термодинамики говорит о том, как энтропия ведет себя вблизи абсолютного нуля температур.

Нулевым (или общим) началом  термодинамики иногда называют принцип, согласно которому замкнутая система независимо от начального состояния в конце концов приходит к состояниютермодинамического равновесия и самостоятельно выйти из него не может.

Представление о невозможности  вечного двигателя является одним  из самых важных положений физики, которые школа надежно вкладывает в учащихся. И у многих создается  внутренняя убежденность, что тот, кто  пытается построить вечный двигатель, - или неграмотный, или сумасшедший. При таком подходе мы незаслуженно принижаем роль в развитии науки  и техники многих поколений средневековых  ученых.

Между тем мотивы попыток построения вечного двигателя вполне понятны. Во-первых, создание эффективных и  недорогих машин и источников энергии есть одна из важнейших задач  общества. (Интересно отметить, что  идей и попыток разработки вечного  двигателя не было в Античном мире, несмотря на существование развитых научных школ. Причина проста: широкое  использование дешевой рабочей  силы — рабов.) Первые изобретения  в этой области отмечаются в различных  странах в XII — XIII веках в связи  с потребностями ремесленного производства. Во-вторых, имеется очень сильный  психологический фактор - тот, кому удастся решить эту проблему, облагодетельствует человечество, и его имя останется  в веках. И наконец, в- третьих, каждый может наблюдать вечные, безостановочные  движения в природе: движение Луны, планет, течение рек. Если такое движение имеет место в природе, неужели  же человек с техническим опытом и научными знаниями не сможет создать  искусственный, рукотворный вечный двигатель? Если твоя модель не работает, попытайся внести усовершенствования. Такие мысли, возможно, подвигали  многих людей, связанных с наукой и техникой, к активным поискам  конструкции вечного двигателя.

Предшественники

Считается, что первая схема вечного  двигателя была предложена индийцем Бхаскара около 1150 года. Как показано на рисунке 1,а, устройство должно было представлять колесо с набором трубок с тяжелой жидкостью (ртутью), закрепленных под некоторым углом к радиусу. По мнению изобретателя, перетекание жидкости в трубках должно было создать несимметрию в распределении грузов, которая и обеспечивала бы вечное вращение. Известный французский архитектор и инженер Виллар д'Оннекур примерно через сто лет предложил аналогичную схему вечного двигателя, показанную на рисунке 1,б. Предполагалось, что нечетное число грузов на колесе обеспечит несимметрию и будет причиной вечного движения. По-видимому, попытки сделать двигатель именно в виде «вечного колеса» опирались на наиболее распространенный в средневековой Европе двигатель - водяное колесо. Одна из модификаций схемы (рис. 1,в) была предложена в 1438 году Мариано ди Жакопо из Сиены (город недалеко от Флоренции - родины Леонардо да Винчи).

Рисунок 1. Различные схемы «вечного колеса»

Работа  Леонардо над проблемой вечного  двигателя

Было бы удивительно, если бы Леонардо да Винчи (1452 — 1519) оказался в стороне  от такой важнейшей проблемы, как  создание вечного двигателя. И он, неизменно добивавшийся успешного  понимания практически любых  явлений, за которые брался, действительно  неоднократно обращался к ней. Сохранившиеся  трактаты и записные книжки Леонардо позволяют увидеть последовательное нарастание уровня его проникновения  в эту сложнейшую проблему.

Первый уровень —  изучение известных или слегка измененных схем вечного двигателя типа колеса с грузами. Леонардо неоднократно бывал в крупнейших университетских центрах Италии - Болонье, Парме, Пизе, Риме, работал в библиотеках, активно общался с коллегами. Не исключено, что он изготавливал и исследовал модели различных известных двигателей. Однако ни один из них почему-то не работал. «Препятствия не могут согнуть меня. Любое препятствие вызывает усилие», — и Леонардо пошел дальше.

Второй уровень —  существенные изменения в схеме  колеса. Внутренняя убежденность в возможности разработки конструкции для получения вечного движения заставила Леонардо да Винчи попытаться добиться положительного результата посредством разумных существенных модификаций известных схем «вечного колеса». «Следы» таких попыток можно найти в его записях, из которых легко понять общую идею - добиться несимметрии вращающего момента с помощью введения дополнительного физического эффекта. Так, в схеме, изображенной на рисунке 2, нижняя часть колеса погружалась в воду, и выталкивающие силы, действующие на полые коробки, должны были бы создать дополнительные усилия, обеспечивающие вращение колеса.