Шпаргалко по "Концепциям современного естествознания"

Материальные системы  микро-, макро- и мегамира различаются между собой размерами, характером доминирующих процессов и законами, которым они подчиняются.

 

 

16) Концепция дальнодействия и близкодействия

Огромное разнообразие природных  систем и структур, их особенности  и динамизм обусловливаются взаимодействием  материальных объектов, их взаимным действием  друг на друга.

Именно взаимодействие — основная причина движения материи, поэтому взаимодействие, как и  движение, универсально, т. е. присуще  всем материальным объектам вне зависимости  от природы происхождения и системной  организации.

Взаимодействующие объекты  обмениваются энергией и импульсом — основными характеристиками их движения.

Очень долгое время считалось, что взаимодействие материальных объектов, находящихся даже на большом расстоянии друг от друга, передается через пустое пространство мгновенно. Такое утверждение соответствует концепции дальнодействия

Сторонником, даже автором  этой концепции был Ньютон. Закон  тяготения Ньютона позволял со всей возможной тогда точностью описывать  и предсказывать движение тел, как  земных, так и небесных, под действием  силы тяжести.

Позже появившаяся концепция  поля позволила усовершенствовать  механическую картину мира по Ньютону, заменив прежний (ньютонов) принцип  дальнодействия принципом близкодействия. К настоящему времени экспериментально подтверждена именно концепция близкодействия: взаимодействия передаются посредством физических полей с конечной скоростью, не превышающей скорости света в вакууме. Эта, по существу, полевая концепция в квантовой теории поля дополняется утверждением: при любом взаимодействии происходит обмен особыми частицами — квантами поля

 
17) Фундаментальные взаимодействия

Наблюдаемые в природе  взаимодействия материальных объектов и систем весьма разнообразны. Однако, как показали физические исследования, все взаимодействия можно отнести  к четырем видам фундаментальных  взаимодействий: гравитационному, электромагнитному, сильному и слабому.

Гравитационное  взаимодействие. Это взаимодействие является наиболее всеобъемлющим. Ему подвержены все материальные объекты без исключения — и микрочастицы, и макротела. Проявляется оно в виде всемирного тяготения. Согласно закону, открытому великим Ньютоном, все тела притягиваются друг к другу с силой, пропорциональной их массам и обратно пропорциональной квадрату расстояния между ними:

,

где G — гравитационная постоянная, а масса при этом играет роль гравитационного заряда, который оказывается всегда положительным. Законом всемирного тяготения описывается падение материальных тел в поле Земли, движение планет Солнечной системы, звезд и т. д.

. Гравитационное взаимодействие  осуществляется посредством обмена гравитонами

Электромагнитное  взаимодействие. Электромагнитное взаимодействие как и гравитационное, по своей природе длиннодействующее: соответствующие силы могут проявляться на очень значительных расстояниях. Как установил в 1785 г. французский инженер и физик Шарль Огюстен Кулон (1736–1806), эти силы убывают обратно пропорционально квадрату расстояния между частицами.

Электромагнитное взаимодействие описывается зарядами одного типа (электрическими), но заряды могут иметь уже два  знака — положительный и отрицательный. В отличие от тяготения электромагнитные силы способны быть как силами притяжения, так и силами отталкивания.

От взаимодействия между  электрически заряженными частицами  зависит структура атомов и молекул, а значит, в конечном счете и то, что окружающий мир таков, каков он есть. Физические и химические свойства разнообразных веществ, материалов и самой живой ткани обусловлены именно этим взаимодействием. Оно же приводит в действие всю электрическую и электронную аппаратуру.

Теория электромагнитного  взаимодействия в макромире называется классической электродинамикой. В ее разработке принимали участие многие ученые XVIII–XIX веков, однако решающий вклад в ее создание внес выдающийся английский физик Джеймс Кларк Максвелл (1831–1879). Именно он объединил электричество, магнетизм и свет в рамках единой концепции электромагнитного поля.

кванты электромагнитного  поля — фотоны.

Сильное взаимодействие. Сильное взаимодействие — самое мощное из всех остальных (чем и объясняется его название). Ядерные силы, действующие между нуклонами в атомном ядре, — проявление этого взаимодействия.

Слабое  взаимодействие. В слабом взаимодействии участвуют все элементарные частицы, кроме фотона. Оно обусловливает большинство распадов элементарных частиц, взаимодействие нейтрино с веществом и другие процессы. Слабое взаимодействие появляется главным образом в процессах бета-распада атомных ядер многих изотопов, свободных нейтронов и т. д. Принято считать, что переносчиками слабого взаимодействия являются вионы — частицы с массой примерно в 100 раз большей массы протонов и нейтронов.

Электромагнитное взаимодействие гораздо сильнее гравитационного, хотя его радиус действия также неограничен. Для сильного и слабого взаимодействия характерно короткодействие.

— слабое и электромагнитное взаимодействие не различаются —  их можно рассматривать как единое электрослабое взаимодействие.

 

18) Понятие пространства. Характеристики пространства по классическим и современным концепциям.

Существуют две  фундаментальные формы описания упорядоченности материальных тел  и процессов: пространственная и  временная. Им соответствуют научные  понятия пространства и времени.

Пространство — характеристика протяженности материальных объектов и процессов. Количественным выражением такой характеристики является расстояние, которое в системе единиц СИ, как известно, измеряется в метрах.

Абсолютность  пространства означает его независимость от материи (а также от движения и времени), т. е. по классическим представлениям пространство служит вместилищем материи, как пустая комната — вместилищем для мебели и людей, при отсутствии матери пространство останется и не изменится, не изменится пространство и если появится другая материя

 

 

 

 

 

 

 

 

Однородность  пространства (симметрия относительно операции сдвига, перемещения) проявляется в физической неразличимости свойств пространства в различных его точках, возможности произвольного выбора начала отсчета пространственных координат.

Непрерывность пространства означает, что какой бы малый объем его мы ни выделяли, оно не исчезает, а остается.

На рис. 13 наглядно видно, что современные концепции о  физических свойствах пространства оказываются прямо противоположными классическим концепциям:

Относительность пространства означает, что оно не может существовать без материи и зависит от «материального наполнения».

Неоднородность  пространства означает, что его физические свойства различаются в разных точках.

Дискретность  пространства означает, что оно перестает существовать ниже некоторой малой длины, так называемого кванта пространства.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

19) Евклидово и  неевклидово пространство.

 

Евклидовость пространства означает, что для него выполняются правила геометрии Евклида — математика эпохи эллинизма (см. античный период в развитии естествознания).

Неевклидовость пространства означает, что для него выполняются правила другой, неевклидовой геометрии.

три постулата  геометрии Евклида:

1. От всякой точки до  всякой точки можно провести  прямую линию.

2. Ограниченную прямую  можно непрерывно продолжать  по прямой.

3. Из всякого центра  и всяким раствором циркуля  можно описать круг.

Таким образом, в  евклидовом пространстве прямая линия  — это линия с наименьшей длиной. По современным понятиям пространство, характеризующееся таким свойством, является плоским пространством, т. е. обладает нулевой кривизной.

Двадцать два века существования  общепризнанной и наиболее долгоживущей геометрии Евклида у естествоиспытателей (прежде всего математиков) не возникало  сомнения в ее истинности, пока в XIX веке некоторые ученые не усомнились не то чтобы в ее правильности, а  в ее единственности и неповторимости. Четверо математиков из разных стран  независимо друг от друга разработали  варианты неевклидовых геометрий.

Для понимания сути неевклидовых геометрий удобно представить наше трехмерное пространство в виде двумерной  пленки разной степени кривизны (см. рис. 15):

 — для плоской пленки (нулевая кривизна пространства) сумма углов треугольника равна  180^о;

 — для положительной  кривизны пространства (по Риману) сумма углов треугольника > 180^о;

 — для отрицательной  кривизны пространства (по Лобачевскому) сумма углов треугольника < 180^о.

20) Понятие времени. Характеристики времени по классическим и современным концепциям.

Время — характеристика продолжительности материальных процессов. Количественным выражением такой характеристики является промежуток времени, который в системе СИ, как известно, выражается в секундах.

Абсолютность  времени (аналогично однородности пространства) означает, что время течет само по себе и нигде не прерывается, вне зависимости есть материя или нет, что с ней происходит.

Однородность  времени означает (симметрия относительно операции «сдвига», выбора момента отсчета времени) означает, что во всех точках пространства время течет одинаково, и неважно с какого момента мы начали его отсчет.

 

 

Непрерывность времени означает, что оно никогда и нигде не прерывается, какой бы малый промежуток его мы ни выделяли.

По современным концепциям физические свойства времени, так же, как и пространства, диаметрально противоположны классическим представлениям.

Время относительно, т. е. не существует без материи и зависит от «материального присутствия».

Время неоднородно, т. е. в различных точках пространства течет по-разному.

Время дискретно, т. е. перестает существовать для промежутка времени, меньшего некой предельно малой величины, так называемого кванта времени.

Таким образом, между физическими  характеристиками пространства и времени  существует полное совпадение. Но в  отношении геометрических характеристик  такого совпадения нет.

 

 

 

Свойство одномерности времени означает, что для его задания (точнее, описания промежутка времени) достаточно одной числовой оси — хронологической.

Свойство однонаправленности означает, что время течет в одном направлении: из прошлого в будущее. Английский астроном Артур Эддингсон (1882–1944) ввел в научный обиход понятие «стрелы времени».

21) Понятие о специальной и общей теории относительности.

Наиболее всеобъемлющей  физической теорией, рассматривающей  вопросы пространства и времени, стала общая теория относительности (ОТО), создателем основ которой является Эйнштейн. Она называется также теорией тяготения, т. к. тесно связана с понятием гравитации и объясняет природу гравитационных сил.

Поскольку искривление пространства тем сильнее, чем больше вызывающая его масса, то свойства пространства и времени должны рассматриваться в теснейшей связи с материей.

Общая теория относительности  предсказывает, что, когда луч проходит вблизи массивного тела, его путь должен немного искривляться.

Если полями тяготения  пренебречь, то из ОТО вытекает допустимость использования другой теории А. Эйнштейна — специальной теории относительности (СТО).

СТО может быть применена к описанию как механических, так и немеханических явлений. Приложение СТО к описанию механических процессов, в которых скорости тел (v) сопоставимы со скоростью света в вакууме (с), называется релятивистской механикой. Оказалось, что механика Ньютона представляет собой предельный случай релятивистской механики при малых скоростях движения рассматриваемых объектов. Взамен может использоваться ньютоновская, если выполняется условие v << c.

 

Совершенно очевидно, ОТО установила границы применимости СТО, а эта теория, в свою очередь — границы применимости ньютоновской механики

22) Принципы относительности.

Постулируется то, что кажется очевидным или следует из опыта.

• Первым постулатом, положенным в основу механики Ньютона, явилось «очевидное» допущение о независимости времени от выбора системы отсчета: ход времени одинаков для наблюдателей, находящихся в разных системах отсчета.

Вторым постулатом ньютоновской механики стал так называемый механический принцип относительности (принцип относительности Галилея): механические процессы протекают одинаково во всех системах, движущихся друг относительно друга равномерно и прямолинейно (т. е. не зависят от выбора так называемой инерциальной системы отсчета). Этот принцип явился обобщением большого числа опытных данных.