Контрольная работа по "Концепциям современного естествознания"

 

Кардинально изменились представления о материи. Согласно электромагнитной картине мира материя существует в виде вещества и поля. Они строго разделены, и их превращение друг в друга невозможно. Главным из них является поле, а значит, основным свойством материи является непрерывность в противовес дискретности.

 

Расширилось также и  понятие движения. Оно стало пониматься не только как простое механическое перемещение, но и как распространение  колебаний в поле. Соответственно, законы механики Ньютона уступили свое господствующее место законам электродинамики Максвелла.

 

Электромагнитная картина  мира требовала нового решения проблемы физического взаимодействия. Ньютоновский принцип дальнодействия заменялся  фарадеевским принципом близкодействия, который утверждал, что любые  взаимодействия передаются полем от точки к точке, непрерывно и с конечной скоростью.

 

Электромагнитная картина  мира произвела настоящий переворот  в физике. Она базировалась на идеях  непрерывности материи, материального  электрического поля, неразрывности  материи и движения, связи пространства и времени как между собой, так и с движущейся материей. Новое понимание сущности материи поставило ученых перед необходимостью пересмотра и переоценки этих основополагающих качеств материи.

 

Случайность все еще  пытались исключить из физической картины мира. Но в середине XIX в. впервые появилась фундаментальная физическая теория нового типа, которая основывалась на теории вероятности. Это была кинетическая теория газов, или статистическая механика. Случайность, вероятность наконец-то нашли свое место в физике и были отражены в форме так называемых статистических законов. Правда, пока физики не оставляли надежды найти за вероятностными характеристиками четкие однозначные законы, подобные законам Ньютона, и считали вновь созданную теорию промежуточным вариантом, временной мерой. Тем не менее, прогресс был налицо: в электромагнитную картину мира вошло понятие вероятности.

 

Не менялось в электромагнитной картине мира представление о  месте и роли человека во Вселенной. Его появление считалось лишь капризом природы.

 

Электромагнитная картина  мира объяснила большой круг физических явлений, непонятных с точки зрения прежнего механического представления  о мире. Однако дальнейшее ее развитие показало, что она имеет относительный  характер. Поэтому на смену ей пришла новая — квантово-полевая — картина мира, объединившая в себе дискретность механической картины мира и непрерывность электромагнитной картины мира.

 

 

 

 

 

 

 

18 вопрос.

 

Понятие времени возникло на основе восприятия человеком смены  событий, предоставленной смены состояний предметов и круговорота различных процессов.          Естественнонаучные представления о пространстве и времени прошли длинный путь становления и развития. Самые первые из них возникли из очевидного существования в природе и в первую очередь в макромире твердых физических тел, занимающих определенный объем. Здесь основными были обыденные представления о пространстве и времени как о каких-то внешних условиях бытия, в которые помещена материя и которые сохранились бы, если бы даже материя исчезла. Такой взгляд позволил сформулировать концепцию абсолютного пространства и времени, получившую свою наиболее отчетливую формулировку в работе И.

 

Ньютона “Математические  начала натуральной философии”. Этот труд более чем на два столетия определил развитие всей естественнонаучной картины мира. В нем были сформулированы основные законы движения и дано определение пространства, времени, места и движения.          Раскрывая сущность пространства и времени, Ньютон предлагает различать два вида понятий: абсолютные (истинные, материалистические) и относительные (кажущиеся, обыденные) и дает им следующую типологическую характеристику:          Абсолютное, истинное, материалистическое время само по себе и своей сущности, без всякого отношения к чему-либо внешнему, протекает равномерно и иначе называется длительностью.          Относительное, кажущееся, или обыденное, время есть или точная, или изменчивая, постигаемая чувствами внешняя мера продолжительности, употребляемая в обыденной жизни вместо истинного математического времени, как то: час, день, месяц, год...

 

 

Есть концепции (Беркли, Мах, Авенариус и др.), которые  ставят пространство и время в  зависимость от человеческого сознания, выводя их из способности человека переживать и упорядочивать события, располагать их одно после другого. Так, Кант рассматривал пространство и время как априорные (доопытные) формы чувственного созерцания, вечные категории сознания, аргументируя это ссылкой на стабильность геометрии Евклида в течении двух тысячелетий. Проблема пространства и времени была тесно связана с концепциями близкодействия и дальнодействия. Дальнодействие мыслилось как мгновенное распространение гравитационных и электрических сил через пустое абсолютное пространство, в котором силы находят свою конечную цель благодаря божественному проведению.

 

Концепция же близкодействия (Декарт, Гюйгенс, Френель, Фарадей) была связана с пониманием пространства как протяженности вещества и  эфира, в котором свет распространяется с конечной скоростью в виде волн. Это привело в дальнейшем к понятию поля, от точки к точке которого и передавалось взаимодействие.          Именно это понимание взаимодействия и пространства, развивавшееся в рамках классической физике, было унаследовано и развито далее в XX веке, после крушения гипотезы эфира, в рамках теории относительности и квантовой механики. Пространство и время вновь стали пониматься как атрибуты материи, определяющиеся ее связями и взаимодействиями.          Современное понимание пространства и времени было сформулировано в теории относительности А.

 

Эйнштейна, по-новому интерпретировавшей реляционную концепцию пространства и времени и давшей ей естественнонаучное обоснование.2. Специальная теория относительности  Специальная теория относительности, созданная в 1905 г. А. Эйнштейном, стала результатом обобщения и синтеза классической механики Галилея - Ньютона и электродинамики Максвелла - Лоренца. “Она описывает законы всех физических процессов при скоростях движения, близких к скорости света, но без учета поля тяготения.

 

 

При уменьшении скоростей  движения она сводится к классической механике, которая, таким образом, оказывается  ее частным случаем”.Исходным пунктом  этой теории стал принцип относительности. Классический принцип относительности  был сформулирован еще Г. Галилеем: “Если законы механики справедливы в одной системе координат, то они справедливы и в любой другой системе, движущейся прямолинейно и равномерно относительно первой.”(Такие системы называются инерциальными, поскольку движение в них подчиняется закону инерции, гласящему: “Всякое тело сохраняет состояние покоя или равномерного прямолинейного движения, если только оно не вынуждено изменить его под влиянием движущихся сил.”          Галилей разъяснял это положение различными наглядными примерами. Представим путешественника в закрытой каюте спокойно плывущего корабля, он не замечает никаких признаков движения. Если в каюте летают мухи, они отнюдь не скапливаются у задней стенки, а спокойно летают по всему объему.

 

Если подбросить мячик  прямо вверх, он упадет прямо вниз, а не отстанет от корабля, не упадет ближе к корме. Из принципа относительности следует, что между покоем и движением нет никакой принципиальной разницы. Разница только в точке зрения. Например, путешественник в каюте корабля с полным основанием считает, что книга, лежащая на его столе, покоится. Но человек на берегу видит, что корабль плывет, и он имеет все основания считать, что книга движется и притом с той же скоростью, что и корабль.

 

Так движется на самом  деле книга или нет? На этот вопрос, очевидно, нельзя ответить просто “да” или “нет”.   Таким образом, слово “относительно” в названии принципа Галилея не скрывает в себе ничего особенного. Оно не имеет никакого иного смысла, кроме того, который мы вкладываем в движение о том, что движение или покой - всегда движение или покой относительно чего-то, что служит нам системой отсчета. Это, конечно, не означает, что между покоем и равномерным движением нет никакой разницы.

 

Но понятие покоя  и движения  приобретают смысл  лишь тогда, когда указана точка отсчета. Если классический принцип относительности утверждал инвариантность законов механики во всех инерциальных системах отсчета, то в специальной теории относительности данный принцип был распространен также на законы электродинамики, а общая теория относительности утверждала инвариантность законов природы в любых системах отсчета, как инерциальных, так и неинерциальных. Неинерциальными называются системы отсчета, движущиеся с замедлением или ускорением.          В соответствии со специальной теорией относительности, которая объединяет пространство и время в единый четырехмерный пространственно-временной континуум, пространственно - временные свойства тел зависят от скорости их движения. Пространственные размеры сокращаются в направлении движения при приближении скорости тел к скорости света в вакууме (300 000 км/с), временные процессы замедляются в быстродвижущихся системах, масса тела увеличивается.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

25 вопрос.

 

Очень интересные идеи высказываются  в последнее время физиками и относительно природы так называемого вакуума. В свое время считалось, что вакуум — это просто ничто, пустота, пространство, полностью ли­шенное материн, своеобразная арена, на которой разыгрываются все происходящие в природе вещественные процессы.

Но этим, на первый взгляд таким естественным, само собой разумеющимся представлениям суждено было со временем претерпеть весьма серьезные изменения. Сначала выяснилось, что полной пустоты  в природе не существует. Ее нет  даже там, где совершенно отсутствует какое бы то ни было вещество. Уже в XVIII столетии Фарадей утверждал, что «материя присутствует везде и нет промежуточного пространства, не занятого ею».

 

Любая область пространства всегда заполнена если не веществом, то какими-либо другими видами материи — различными излучениями и полями (например, магнитным  полями тяготения).

Но даже с такой  поправкой пространство вес еще  оставалось просто гигантским вместилищем, содержащим бесчисленное количество материальных объектов.

 

Однако вскоре выяснились еще более поразительные вещи. Представьте себе на минуту, что нам каким-то образом удалось совершенно опустошить некоторую область пространства, изгнать из нее частицы, излучения и поля. Так вот даже в этом случае все равно осталось бы «нечто». Определенный запас энергии, который у вакуума нельзя отобрать никакими способами.

 

Обнаружились и вовсе  «крамольные» факты. Оказалось, что  вакуум способен рождать элементарные частицы, рождать вещество…

Мало того, с самим  вакуумом могут происходить различные  физические превращения: он способен взаимодействовать с чем-то и даже сам с собой.

 

Частицы из пустоты? Пустота  взаимодействует с пустотой? Значит ли это, что рушится один из самых  основных законов природы — закон сохранения материи?

Разумеется, нет. Просто вакуум оказался еще значительно сложнее, чем мы это себе представляли.

 

Сейчас у физиков  есть все основания рассматривать  вакуум как нечто материальное, особую форму существовании материи, а  некоторые даже предлагают считать  его особым состоянием вещества.

 

Надо ли говорить, что эта проблема представляет собой не только чисто физический, но и философский интерес. Ведь вакуум представляет собою нечто более универсальное и всеобъемлющее, чем любая другая известная нам форма существования материн. Может быть, вакуум и есть та «протосреда», из которой могут образовываться все другие виды вещества и материи. В частности, советский ученый Г. Наан высказал интересное предположение о том, что вакуум представляет собой не что иное, как бесконечно большой запас энергии одного знака, компенсированный энергией другого знака. Таким образом, вакуум — это как бы совокупность, своеобразное единство противоположностей. Когда же из вакуума образуются другие формы материи, которые и составляют то, что мы называем Вселенной, эти противоположности разделяются. Не исключена возможность, что с подобной точки зрения удастся объяснить такие явления, как образование космических лучей высоких энергий, вспышки сверхзвезд, образование радиогалактик, а также начало расширения Метагалактики.

 

 

О том, что вакуум — не пустота, а сложная физическая система, лучше всего свидетельствует открытие одного из самых поразительных явлений — так называемой «поляризации вакуума», к которому пришла квантовая электродинамика.

 

Квантовая электродинамика, или квантовая теория электромагнитного поля, — один из сравнительно молодых и наиболее сложных разделов современной физики. Она занимается изучением всевозможных взаимодействий фотонов электромагнитного поля с заряженными частицами.

 

В вакууме, который рассматривается  как особое состояние материи, скрыты не только электроны и позитроны, но и пары «протон—антипротон». Такие пары, если к ним подвести энергию в форме, например, фотонов, становятся реальными: их можно зарегистрировать.

 

Если в вакууме покоится заряженная частица—протон, то согласно законам квантовой механики вокруг него будут непрерывно рождаться и уничтожаться электроны и позитроны. Создается своеобразная «плазма» наподобие той, которая возникает в газовом разряде. Поэтому вблизи протона вакуум приобретает суммарный отрицательный заряд, а на большом расстоянии от него — суммарный положительный. В результате заряд протона несколько уменьшается — «экранируется». Это и есть поляризация.

 

Следовательно, частица, оказавшаяся в вакууме, расталкивает вокруг себя заряды, расталкивает «плазму». Именно это обстоятельство и дает возможность наблюдать эффект, о котором идет речь.

 

Хотя возникающие в  «плазме» заряженные частицы «живут»  лишь десять в минус двадцать первой степени секунды и наблюдать  их нельзя, свойства электронного поля вблизи протона, как уже говорилось, изменяются. Это явление можно наблюдать экспериментально. Однако расчет величины подобного эффекта долгое время наталкивался па непреодолимые трудности.

 

Однако благодаря работам  американских физиков Р. Фейнмана и О. Швипгера и японского физика С. То-монаги, разработавших необычайно стройную, хотя и весьма сложную теорию, вычисление упомянутого эффекта стало возможным и благодаря этому его удалось обнаружить  и  экспериментально.

 

Тем самым представления  о сложной материальной природе вакуума получили непосредственное опытное подтверждение.

 

Есть основания предполагать, что в будущем па смену современной  физической картине мира, оперирующей  всевозможными нолями — электромагнитным, гравитационным и т. д. — придет вакуумная картина. Такая картина должна исходить из того, что основой всего во Вселенной является вакуум, а все существующее, по меткому выражению одного известного ученого, не более как «легкая рябь» на его поверхности. Обычное вещество может оказаться в определенном смысле конечным, а суть всех вещей заключаться именно в вакууме.