Контрольная работа по предмету "Концепции Современного Естествознания"

Содержание

1.От механики к электродинамике  и теории относительности…………………………………..3

2.Уровни биологической  эволюции………………………………………………………………10

Список использованной литературы……………………………………………………………...13

1.От механики  к электродинамике и теории  относительности

Невозможное остается таковым, пока кто-нибудь этого не сделал. Так, многие вещи в науке, казавшиеся невозможными нашим предшественникам, являются простыми и очевидными для нас. Впрочем, каждая подобная победа дается очень нелегко.

На рубеже XIX и XX веков  устоялось представление, что электродинамика  является самостоятельной областью науки и описать ее в рамках наиболее простых и наглядных  механистических представлений  невозможно. Тому было много различных  причин, как существенных, так и  нет. С высоты сегодняшних представлений  мы могли бы сказать, что основной причиной неудач в выявлении тесных аналогий между электродинамикой и механикой стало недостаточное понимание природы физических полей и природы массы.

Однако если смотреть не с философской, а с сугубо практической позиции, то основным камнем преткновения послужила проблема относительности. Классическая механика подчинялась  принципу относительности Галилея, и ее формулы зависели только от относительных величин, а электродинамика – нет. Одна из ключевых сил электродинамики – магнитная сила – определялась абсолютной скоростью частицы и зависела от выбора системы отсчета. Обстоятельство совершенно недопустимое для точной науки.

Формальным решением этой дилеммы явилась специальная теория относительности, позволившая хоть как-то примирить электродинамику с механикой. Хотя это примирение и состоялось ценой замены преобразований Галилея преобразованиями Лоренца и уходом от интуитивно понятных и простых представлений. Но другого решения на тот момент все равно не было.

Мы можем позволить  себе смотреть на эту проблему немного  свысока, потому что изложенные в  предыдущих разделах представления  существенно меняют дело. Во-первых, идея предпочтительных систем отсчета  позволяет нам рассматривать  дополнительные слагаемые в силе Лоренца, и в том числе магнитную силу, не как слагаемые непонятного свойства, а как хорошо известные из механики силы инерции. А силы инерции, как известно, являются индивидуальными для каждой системы отсчета, повторяя особенности движения данной системы. Поэтому в одной системе отсчета магнитная сила (сила Кориолиса) может появиться, а в другой – исчезнуть! При этом требование сохранения единого выражения для силы при переходе к неинерциальным системам отсчета вообще теряет смысл!

Во-вторых, полный набор  механических сил инерции является инвариантным в том смысле, что  он сохраняет однозначные соотношения  между относительными характеристиками системы при переходе из одной  системы отсчета в другую и  не допускает никакого произвола  в их определении. Причем эта инвариантность существует в рамках обычных преобразований Галилея. В той или иной системе отсчета скорости движения частиц, конечно же, зависят от скорости самой системы, но относительная скорость их движения, как и относительные расстояния, остаются неизменными не зависимо от выбора системы отсчета. Более того, эта инвариантность полного набора классических сил инерции выполняется не только для узкого класса инерциальных систем, как преобразования Лоренца, а для любой произвольной системы отсчета и любого движения, в том числе вращений!

В-третьих, наши новые представления  о полевой инертности создают  интересную и важную взаимосвязь  между зарядом и массой. А эта связь - основное недостающее звено, без которого невозможен переход от формул механики к формулам электромагнетизма.

Другими словами, развитые выше представления позволяют нам  сделать простой логический шаг  и напрямую получить выражение для силы Лоренца из выражения сил инерции! Для этого нам потребуется осуществить переход из системы поля, в которой присутствует только электростатическая сила, в лабораторную систему отсчета, которая с точки зрения данного полевого взаимодействия является неинерциальной. А значит, в лабораторной системе отсчета к электростатической силе следует добавить весь набор сил инерции, использовав в качестве массы частицы ее полевую массу. Именно так решается нерешаемая задача по выводу электродинамики из механики!

Электромагнитную силу Лоренца можно напрямую получить из механических сил инерции. Для этого надо перейти из системы отсчета, в которой источник поля покоится и сила имеет только электростатическую компоненту, в лабораторную систему отсчета, неинерциальную для электромагнетизма, использовав в качестве массы в выражениях для сил инерции полевую массу.

Эта простая, с идейной  точки зрения, задача не так то проста в реализации. Люди, знакомые с выводом формул для электромагнитных полей через запаздывающие потенциалы понимают всю громоздкость предстоящих вычислений. В большинстве книг по электродинамике даже не пытаются получить эти формулы в явном виде. Авторы вполне довольствуются написанием запаздывающих потенциалов Лиенара-Вихерта и выражений для полей через потенциалы. Современная электродинамика вообще уходит от описания взаимодействия частиц напрямую, которое можно было бы представить в виде единого выражения для влияния одного заряда на другой посредством поля, а вместо этого выстраивает длинную цепочку промежуточных величин.

Как мы уже догадались, первопричиной  этих громоздких формул является сложное движение в неинерциальной системе отсчета. Однако это не единственная причина. Для получения конечного выражения силы Лоренца нам еще не хватает учета ряда обстоятельств, например, эффекта запаздывания для распространения возмущений в полевой среде. В классической механике изменение скоростей движения и вращения системы считается моментально передающимся во все ее точки. В полевой среде скорость распространения возмущений конечна, что дополнительно искажает и усложняет полевые силы инерции. Помимо этого, нам еще только предстоит получить правила комбинации различных составляющих масс частиц, а также научиться учитывать влияние разных компонент полевой среды в рамках одного уравнения движения.

Таким образом, несмотря на наличие концептуального решения  задачи о выводе электродинамики из механики, мы пока еще не готовы реализовать его полностью. Впрочем, если все было бы так просто, то эту задачу, наверное, уже давно бы решили. Поэтому, следуя духу первой главы, мы, по-прежнему, попытаемся максимально упростить математику, чтобы показать основные шаги реализации указанного решения и наиболее существенные результаты..

Для описания физических явлений  в мегамире широко используют специальную (частную) и общую теории относительности. Эти теории позволяют говорить о физических процессах как о свойствах пространства-времени. Согласно общей теории относительности, которая получила завершенную форму в 1915 г. в работах А. Эйнштейна, свойства пространства-времени определяются действующими в ней полями тяготения. Для общей теории относительности, именуемой также общей теорией тяготения, важен принцип эквивалентности, в соответствии с которым локально неразличимы силы тяготения и силы инерции, возникающие при ускорении системы отсчета. Этот принцип проявляется в том, что в заданном поле тяготения тела любой массы и физической природы движутся одинаково при одинаковых начальных условиях. Теория тяготения (общая теория относительности) описывает тяготение как воздействие физической материи на геометрические свойства пространства-времени, а эти свойства влияют на движение материи и на другие свойства вещества. По общей теории относительности, истинное гравитационное поле есть проявление искривления четырехмерного пространства-времени. Основной идеей теории является утверждение о том, что все тела движутся по геодезическим линиям в пространстве-времени, которое искривлено, и, следовательно, геодезические линии не прямые. Из этого вытекает, что тяготение зависит не только от распределения масс в пространстве, но и от их движения, давления и натяжения, имеющихся в телах, от электромагнитного поля и всех других полей.  
В специальной теории относительности, основы которой были разработаны Эйнштейном в 1905 г., изучаются свойства пространства-времени, справедливые с той точностью, с какой можно пренебрегать действием тяготения. Таким образом, специальная теория относительности представляет собой частный случай общей теории относительности. Теория относительности опирается на геометрию четырехмерного пространства-времени Г. Минковского, который ввел в 1907-1908 гг. понятие о том, что событие задается четырьмя координатами - тремя пространственными и одной временной. Геометрия пространства-времени Минковского позволяет наглядно интерпретировать кинематические эффекты специальной теории относительности. Явления, описываемые теорией относительности, называют релятивистскими (от лат. relativus - относительный), так как они проявляют себя при скоростях движения тел, близких к скорости света в вакууме.

В 1905 г. Эйнштейн, исходя из невозможности обнаружить абсолютное движение, сделал вывод о равноправии всех инерциальных систем отсчета. Он сформулировал два важнейших постулата, которые составили основу обобщенного принципа относительности: 1) все законы физики одинаково применимы в любой инерциальной системе отсчета и не должны меняться при преобразованиях Лоренца; 2) свет всегда распространяется в свободном пространстве с одной и той же скоростью независимо от движения источника. Принцип относительности Эйнштейна является расширением принципа относительности Г. Галилея на любые физические явления (механические, оптические, тепловые и др.), которые, согласно этому принципу, протекают одинаково (при одинаковых условиях) во всех инерциальных системах отсчета. Любая система отсчета, движущаяся относительно инерциальной системы отсчета поступательно, равномерно и прямолинейно, также является инерциальной системой отсчета.

При этом все инерциальные системы отсчета равноправны, т.е. во всех таких системах законы физики одинаковы. Заметим, что французский  ученый А. Пуанкаре в 1905 г. (опубликовано в 1906 г.) независимо от Эйнштейна также  развил математические следствия «постулата относительности». Эйнштейн так иллюстрировал  замедление течения времени в  движущейся системе по отношению  к неподвижной [30, 31]. Пусть мимо железнодорожной платформы движется поезд со скоростью, близкой к скорости света (рис. 6.3). В точке А1на платформе находится наблюдатель N1. На полу вагона в точке А размещен фонарик.

Когда происходит совмещение точки А в вагоне с точкой А1 на платформе, фонарик включается и появляется луч света. Так как скорость его конечная, хотя и большая, то луч достигнет потолка вагона, где расположено зеркало, и отразится за определенное время, за которое поезд уйдет вперед. Для наблюдателя в вагоне луч света пройдет путь 2АВ, а для наблюдателя на платформе - 2АС. Ясно, что чем больше скорость поезда, тем длиннее линия АС. Очевидно, что 2АС > 2AB. Это как раз и говорит о замедлении течения времени внутри движущейся системы по отношению к неподвижной.  
Необходимо подчеркнуть, что отрезки длин и промежутки времени изменяются в отношении определенных пространственных координат. Если, например, длина космического корабля в полете уменьшается в 2 раза с точки зрения наблюдателя на Земле, то при возвращении на Землю корабль сбавляет скорость и его длина становится такой, как при отлете.

Время в теории относительности  необратимо. Отсюда следует широко известный парадокс близнецов: после  путешествия одного из близнецов  на ракете, летевшей со скоростью, близкой  к скорости света, он увидит, что  его брат стал старше его. Приведем еще один парадокс. Представим, что  с Земли стартовал космический  корабль со скоростью 0,99 или 0,98 скорости света и вернулся обратно через 50 лет, прошедших на Земле. Согласно теории относительности, по часам корабля  этот полет продолжался бы один год. Если космонавт, отправившись в полет  в возрасте 25 лет, оставил на Земле  только что родившегося сына, то при встрече 50-летний сын повстречается  с 26-летним отцом. Следует заметить, что физиологические процессы здесь  абсолютно ни при чем. Нельзя сказать, что за один год сын космонавта состарился на 50 лет. Дело в том, что  в соответствии с теорией относительности  не существует абсолютного времени  и пространства. Сын постарел на 50 лет за годы, прожитые на Земле, а  в системе отсчета корабля  время по отношению к Земле  другое.

В пользу релятивистского  замедления говорит следующий экспериментальный  факт. В космических лучах в  верхних слоях атмосферы образуются частицы, называемые пи-мезонами или  пионами. Время жизни пионов 10-8 с. За это время, двигаясь даже со скоростью, почти равной скорости света, они  могут пройти не больше 300 см. Но приборы  их регистрируют, т.е. они проходят путь, равный 30 км, или в 10 000 раз больше, чем для них возможно. Теория относительности  объясняет этот факт так: 10-8 с является естественным временем жизни пиона, измеренным по часам, движущимся вместе с пионом, т.е. покоящимся по отношению к нему. Но в системе отсчета Земли время жизни пиона намного больше, и за это время он в состоянии пройти земную атмосферу.

Требование неизменности вида основных уравнений физики во всех инерциальных системах отсчета  применительно к уравнениям классической механики приводит к необходимости  их модификации, сводящейся к замене массы тела т0 (так называемой массы покоя) на , причем т неограниченно возрастает по мере приближения скорости объекта v к скорости света с. Поскольку масса является мерой инерции, последнее утверждение означает, что, даже непрерывно подталкивая тело (частицу), невозможно сообщить ему (ей) скорость, большую или равную скорости света с. При таких скоростях, которые называют релятивистскими, зависимость энергии E тела от его скорости v описывается не формулой классической механики Eкин = mv2/2, а релятивистской формулой , где т — масса покоя.

Из формулы следует, что  энергия тела стремится к бесконечности  при скоростях, стремящихся к  скоростям света, поэтому, если масса  покоя не равна нулю, скорость тела всегда меньше с, хотя она может стать сколь угодно близкой к ней. Это наблюдается, например, в опытах на ускорителях заряженных частиц, где они движутся со скоростью, практически равной скорости света. Со скоростью света движутся частицы с нулевой массой покоя (фотоны и, возможно, нейтрино). Скорость света является предельной скоростью передачи любых взаимодействий и сигналов из одной точки в другую.

Из уравнений релятивистской механики (как и механики Ньютона) вытекает закон сохранения энергии, для которого получается новое выражение: Е=тс2 - соотношение Эйнштейна, связывающее массу тела и его энергию. Иногда это соотношение ошибочно истолковывают как указание на возможность взаимных превращений массы и энергии. В действительности оно означает лишь то, что масса всегда пропорциональна энергии. В частности, наличие массы у покоящейся частицы говорит о наличии у нее энергии (энергии покоя), что не играет роли в классической механике, но приобретает принципиальное значение при рассмотрении процессов, в которых количество и сорт частиц могут изменяться и поэтому энергия покоя может переходить в другие формы. Так, в атомных ядрах благодаря энергии притяжения частиц общая масса ядра оказывается меньше суммы масс отдельных частиц (дефект массы).