Фундаментальные физические взаимодействия

Размещено на http://www.allbest.ru/

Новосибирский государственный технический университет

КУРСОВАЯ РАБОТА

по концепции современного естествознания

на тему: «Фундаментальные физические взаимодействия»

Выполнила студенка I курса

СР-11 Ондар С.Н.

Проверила Орлова Н.Б.

Новосибирск 2012г

Содержание

Введение

1. Научный метод сознания

2. Естественнонаучная и гуманитарная культуры

3. История естествознания, тенденции развития

4. Развитие представлений о материи

5. Развитие представлений о движении

6. Развитие представлений о взаимодействии

7. Структурные уровни и системная организация материи.

8. Системные уровни организации материи

9. Структуры микромира

10. Процессы в микромире

11. Особенности биологического уровня организации материи

12. Принципы воспроизводства живых систем

13. Гравитация

14. Электромагнетизм

15. Слабое взаимодействие

16. Сильное взаимодействие

17. Экосистемы (многообразие живых организмов - основа организации и устойчивости биосферы)

18. Биосфера

19. Человек в биосфере

20. Глобальный экологический кризис (экологические функции литосферы, экология и здоровье)

Литература

Введение

Во второй половине ХХ в. физики, занятые изучением фундаментальной структуры материи, получили удивительные результаты. Было открыто множество новых субатомных частиц. Их обычно называют элементарными частицами, но далеко не все из них действительно элементарны. Многие из них в свою очередь состоят из еще более элементарных частиц.

Новые частицы обычно открывают в реакциях рассеяния уже известных частиц. Для этого сталкивают частицы с как можно большими энергиями, а затем исследуют продукты их взаимодействия и фрагменты, на которые распались образовавшиеся частицы. В наше время ускорители, создающие интенсивные пучки частиц с высокими энергиями.

Мир су6атомных частиц поистине многообразен. Среди них и «кирпичики», из которых построено вещество: составляющие атомные ядра протоны и нейтроны, а также электроны, обращающиеся вокруг ядер. Но есть и такие частицы, которые в окружающем нас веществе практически не встречаются - резонансы. Время их жизни - мельчайшие доли секунды. По истечении этого чрезвычайно короткого времени они распадаются на обычные частицы. Таких нестабильных короткоживущих частиц поразительно много: их известно уже свыше трех сотен.

В 50-70-е гг. физики были совершенно сбиты с толку многочисленностью, разнообразием и необычностью вновь открытых субатомных частиц. Если в конце 40-х гг. было известно 15 элементарных частиц, то в конце 70-х гг. уже около четырехсот.

Совершенно непонятно, для чего столько частиц: являются ли элементарные частицы хаотическими и случайными осколками материи или, возможно, за взаимодействиями этих частиц скрывается некоторый порядок, указывающий на существование фундаментальной структуры субъядерного мира. Развитие физики в последующие десятилетия показало, что в существовании такой структуры нет никаких сомнений. Миру су6атомных частиц присущи объективные закономерности и глубокий структурный порядок. В основе этого порядка - фундаментальные физические взаимодействия.

В свой повседневной жизни человек сталкивается с множеством сил, действующих на тела: сила ветра или потока воды; давление воздуха; мощный выброс взрывающихся химических веществ; мускульная сила человека; вес предметов; давление квантов света; притяжение и отталкивание электрических зарядов; сейсмические волны, вызывающие подчас катастрофические разрушения; вулканические извержения, приводившие к гибели цивилизаций и т.д. Одни силы действуют непосредственно при контакте с телом, другие, например, гравитация, действуют на расстоянии, через пространство. Но, как выяснилось, в результате развития естествознания, несмотря на столь большое разнообразие, все действующиe в природе силы можно свести к четыpем фундаменталъным взаимодействuям. Именно эти взаимодействия в конечном счете отвечают за все изменения в мире, именно они являются источником всех материальных преобразований тел, процессов. Каждое из четырех фундаментальных взаимодействий имеет сходство с тремя остальными и в то же время свои отличия. Изучение свойств фундаментальных взаимодействий составляет главную задачу современной физики.

материя человек научное познание

1. Научный метод познания

Методология

Свойства научного знания:

- объективность

- достоверность

- точность

- системность

Эмпирическое познание (происходит накопление эмпирического материала (научные факты, эмпирические обобщения), преобладает чувственное познание) и теоретическое познание (на этом уровне происходит выявление законов, преобладает рациональное познание. Формы теоретического знания: проблема, гипотеза, теория)

Методы научного познания:

- наблюдение (чувственное отражение явлений)

- измерение (определение количественных значений свойств объектов с помощью приборов)

- индукция (получение общего вывода на основе частных посылок)

- дедукция (получение частных выводов на основе общих положений)

- анализ (разделение объекта на части)

- синтез (соединение частей объекта, познание его в единстве и взаимосвязи частей)

- абстрагирование (мысленное отвлечение от несущественных свойств объекта)

- моделирование (изучение с помощью модели)

- эксперимент (активное, строго контролируемое воздействие исследователя на объект)

Гипотеза

Требования к научным гипотезам:

- соответствие эмпирическим фактам

- проверяемость (принципы верификации (эмпирическая подтверждаемость) и фальсификации (эмпирическая опровергаемость))

Научная теория (система законов, объясняющая явления в определенной области действительности)

Область применимости теории

Принцип соответствия (новая научная теория содержит в себе в качестве частного случая старую теорию, справедливость которой установлена экспериментально)

2. Естественнонаучная и гуманитарная культуры

Естествознание как комплекс наук о природе (естественных наук (физика, химия, биология, астрономия, география, геология, экология)

Дифференциация наук (разделение наук на отдельные дисциплины)

Интеграция наук (объединение наук)

Гуманитарные науки (науки об обществе и человеке)

Гуманитарно-художественная культура, её основные отличия от научно-технической:

- субъективность знания

- нестрогий образный язык

- интерес к индивидуальным свойствам изучаемых предметов

- сложность (или невозможность) верификации и фальсификации

Математика как язык естествознания

Псевдонаука как имитация научной деятельности (астрология, уфология, парапсихология, биоэнергетика)

Отличительные признаки псевдонауки:

- фрагментарность

- некритический подход к исходным данным

- невосприимчивость к критике

- отсутствие общих законов

- неверифицируемость и/или нефальсифицируемость псевдонаучных данных

3. История естествознания, тенденции развития

Научная (исследовательская) программа (серия сменяющих друг друга теорий, объединенных основополагающими принципами)

Древняя Греция: появление программы рационального объяснения мира

Принцип причинности в первоначальной форме (каждое событие имеет естественную причину) и его позднейшее уточнение (причина должна предшествовать следствию)

Атомистическая исследовательская программа Левкиппа и Демокрита: всё состоит из дискретных атомов; всё сводится к перемещению атомов в пустоте

Континуальная исследовательская программа Аристотеля: всё формируется из непрерывной бесконечно делимой материи, не оставляющей места пустоте

Взаимодополнительность атомистической и континуальной исследовательских программ

Научная (или натурфилософская) картина мира как образно-философское обобщение достижений естественных наук

Фундаментальные вопросы, на которые отвечает научная (или натурфилософская) картина мира:

- о материи

- о движении

- о взаимодействии

- о пространстве и времени

- о причинности, закономерности и случайности

- о космологии (общем устройстве и происхождении мира)

Натурфилософская картина мира Аристотеля (геоцентризм)

Научные картины мира: механическая (17 в.), электромагнитная (19 в.), неклассическая (1-я половина XX в.), современная эволюционная

4. Развитие представлений о материи

Фалес: проблема поиска первоначала (Фалес: первоначалом всего сущего является вода)

Абстракция материи (материя - объективная реальность)

Механическая картина мира: единственная форма материи - вещество, состоящее из дискретных корпускул

Материальная точка -- основная абстракция классической механики (тело, обладающее массой, размерами которого в данной задаче можно пренебречь)

Атомно-молекулярное учение

Учение о составе -- первый уровень научного химического знания

Учение о строении -- второй уровень научного химического знания

Электромагнитная картина мира: две формы материи -- вещество и непрерывное электромагнитное поле

Волна как распространяющееся возмущение физического поля

Длина волны

Спектр электромагнитных волн (по мере уменьшения длины волны: радиоволны, инфракрасное излучение, видимый свет, ультрафиолетовое излучение, рентгеновское излучение, гамма-излучение)

Эффект Доплера: зависимость измеряемой длины волны от взаимного движения наблюдателя и источника волн (если источник отдаляется от наблюдателя, то измеряемая длина волны увеличивается)

Современная научная картина мира: три формы материи -- вещество, физическое поле, физический вакуум

5. Развитие представлений о движении

Гераклит: идея безостановочной изменчивости вещей

Учение Аристотеля о движении как атрибуте материи и разнообразии форм движения

Механическая картина мира: единственная форма движения -- механическое перемещение

Описание механического движения материальной точки: координаты, скорость, траектория

Система отсчёта, её основные элементы: тело отсчета, система координат («линейка»), часы

Первый закон Ньютона (закон инерции): сохранение скорости тела в отсутствие воздействий на него

Второй закон Ньютона: воздействие на тело вызывает изменение его скорости (ускорение) F=ma

Электромагнитная картина мира: движение -- не только перемещение зарядов, но и изменение поля (распространение волн)

Волновые процессы: интерференция и дифракция (огибание волнами препятствий)

Понятие состояния системы как совокупности данных, позволяющих предсказать её дальнейшее поведение

Движение как изменение состояния

Химическая форма движения: химический процесс

Учение о закономерностях химических процессов -- третий уровень научного химического знания

Биологическая форма движения: процессы жизнедеятельности, эволюция живой природы

Эволюционная химия -- четвёртый уровень научного химического знания

Современная научная картина мира: эволюция как универсальная форма движения материи

Многообразие форм движения, их качественные различия и несводимость друг к другу.

6. Развитие представлений о взаимодействии

Представления Аристотеля о взаимодействии: одностороннее воздействие движущего на движимое; первоначальная форма концепции близкодействия (передача воздействия только через посредников, при непосредственном контакте)

Механическая картина мира:

- возникновение концепции взаимодействия (третий закон Ньютона) (F=-F действие равно противодействию)

- открытие фундаментального взаимодействия (закон всемирного тяготения)

- принятие концепции дальнодействия (мгновенной передачи взаимодействия через пустоту на любые расстояния)

Электромагнитная картина мира:

- открытие второго фундаментального взаимодействия (электромагнитное)

- возврат к концепции близкодействия (взаимодействие передаётся только через материального посредника -- физическое поле -- с конечной скоростью)

- полевой механизм передачи взаимодействий (заряд создаёт соответствующее поле, которое действует на соответствующие заряды)

Современная научная картина мира:

- четыре фундаментальных взаимодействия (по мере увеличения интенсивности: гравитационное, слабое, электромагнитное, сильное), (гравитационное (самое слабое, в нем участвуют все частицы, распространяется сколь угодно далеко), электромагнитное (участвуют только заряженные частицы, распространяется сколь угодно далеко), сильное (образование атомных ядер из протонов и нейтронов, а также протонов и нейтронов из кварков, действует на коротком расстоянии, участвуют только адроны) и слабое (распады ядер, взаимопревращение элементарных частиц, действует на коротком расстоянии, участвуют все частицы))

- квантово-полевой механизм передачи взаимодействий (заряд испускает виртуальные частицы-переносчики соответствующего взаимодействия, поглощаемые другими аналогичными зарядами)

- частицы-переносчики фундаментальных взаимодействий (фотоны (электромагнитное), гравитоны (гравитационное), глюоны (сильное), промежуточные векторные бозоны (слабое))

- характеристики фундаментальных взаимодействий определяются свойствами частиц-переносчиков: масштабы, в которых эффективно фундаментальное взаимодействие, определяются массой его частиц-переносчиков и способностью его зарядов взаимно компенсироваться

Фундаментальные взаимодействия, преобладающие между объектами:

- микромира (сильное, слабое и электромагнитное)

- макромира (электромагнитное)

- мегамира (гравитационное)

Примеры объектов, стабильность которых обеспечивается конкретным видом взаимодействия:

- атом, молекула, вещество - электромагнитное

- планетные системы, галактики - гравитационное

- ядра атомов - сильное

Между звездами и планетами - гравитационное, между атомами, молекулами, между атомным ядром и оболочкой - электромагнитное; химическое движение имеет электромагнитную природу.

7. Структурные уровни и системная организация материи

Вселенная в разных масштабах: микро-, макро- и мегамир

Критерий подразделения: соизмеримость с человеком (макромир) и несоизмеримость с ним (микро- и мегамир)

Основные структуры микромира: элементарные частицы, атомные ядра, атомы, молекулы

Основные структуры мегамира: планеты, звёзды, галактики

Единицы измерения расстояний в мегамире: астрономическая единица (в Солнечной системе), световой год, парсек (межзвёздные и межгалактические расстояния)

Звезда как небесное тело, в котором естественным образом происходили, происходят или с необходимостью будут происходить реакции термоядерного синтеза

Атрибуты планеты:

- не звезда

- обращается вокруг звезды (например, Солнца)

- достаточно массивно, чтобы под действием собственного тяготения стать шарообразным

- достаточно массивно, чтобы своим тяготением расчистить пространство вблизи своей орбиты от других небесных тел

Галактики -- системы из миллиардов звёзд, связанных взаимным тяготением и общим происхождением

Наша Галактика, её основные характеристики:

- гигантская (более 100 млрд. звёзд)

- спиральная

- диаметр около 100 тыс. световых лет

Пространственные масштабы Вселенной: расстояние до наиболее удалённых из наблюдаемых объектов более 10 млрд. световых лет

Вселенная, Метагалактика, разница между этими понятиями

8. Системные уровни организации материи

Целостность природы

Системность природы

Существование систем - как результат взаимодействий их компонентов

Аддитивные свойства систем (аддитивность) (это свойства систем, равные сумме свойств элементов)

Интегративные свойства систем (интегративность) (это свойства, которые не равны сумме свойств элементов)

Совокупности, не являющиеся системами, например, созвездия (участки звёздного неба, содержащие группы звёзд с характерным рисунком) и др.

Иерархичность природных структур как отражение системности природы: структуры данного уровня входят как подсистемы в структуру более высокого уровня, обладающую интегративными свойствами

Взаимосвязь системных уровней материи: физического, химического, биологического, социального (сложные формы движения материи основываются на простых, но не сводятся к ним)

Редукционизм и витализм как примеры несистемного подхода к взаимоотношениям системных уровней организации материи (редукционизм - сложные формы движения полностью сводятся к простым)

Витализм: биологическую форму движения материи нельзя объяснить через простые формы движения. Жизнедеятельность живых организмов виталисты объясняют наличием «жизненной силы»

Иерархические ряды природных систем:

- физических (фундаментальные частицы -- составные элементарные частицы -- атомные ядра -- атомы -- молекулы -- макроскопические тела)

- химических (атом -- молекула -- макромолекула - вещество)

- астрономических (звёзды с их планетными системами -- галактики -- скопления галактик -- сверхскопления галактик)

9. Структуры микромира

Элементарные частицы

Фундаментальные частицы - по современным представлениям, не имеющие внутренней структуры и конечных размеров (например, кварки, лептоны)

Частицы и античастицы

Принцип Паули (частицы с полуцелым спином не могут одновременно находиться в одном и том же состоянии, например, в атоме не может быть электронов, у которых все квантовые числа одинаковы)

Классификация элементарных частиц:

- по массе: с нулевой массой (фотон); лёгкие (лептоны); тяжёлые (адроны)

(к лептонам относятся электрон и нейтрино, к адронам - протоны и нейтроны, протоны и нейтроны состоят их 3х кварков)

- по времени жизни: стабильные (протон, электрон, нейтрино), нестабильные (свободный нейтрон (живет не более 10 минут, затем распадается на протон, электрон и антинейтрино)) и резонансы (нестабильные короткоживущие)

- по зарядам (электрическому, цветовому, гравитационному - масса)

- по спину: бозоны - кванты полей (с целочисленным спином -- фотон, мезоны) и фермионы - частицы вещества (с полуцелым спином -- все лептоны, кварки, барионы), подчиняющиеся принципу Паули

Бозонная природа частиц-переносчиков фундаментальных взаимодействий (частицы-переносчики являются бозонами, т.е. у них целочисленные спины)

Вещество как совокупность устойчивых фермионных структур (кварки -- нуклоны -- атомные ядра -- атомы с их электронными оболочками)

Размеры и масса ядра в сравнении с атомом (масса ядра составляет большую часть массы атома, размеры ядра малы по сравнению с размерами атома)

Виртуальные частицы (это частицы, существующие очень короткое время, поэтому их нельзя зарегистрировать)

Физическое поле как совокупность реальных и виртуальных частиц

Физический вакуум как наинизшее энергетическое состояние физических полей, в котором отсутствуют реальные частицы

10. Процессы в микромире

Взаимопревращения элементарных частиц (распады, рождение новых частиц при столкновениях, аннигиляция)

Возможность любых реакций элементарных частиц, не нарушающих законов сохранения (энергии, заряда и т.д.)

Естественная радиоактивность -- явление самопроизвольного распада атомных ядер, его вероятностный характер

Основные виды радиоактивного распада: альфа- и бета-распады, деление

Энергия связи ядра (дефект массы) (масса ядра всегда меньше суммы масс входящих в него частиц). Эта разница называется дефектом масс. Обусловлено тем, что при объединении нуклонов в ядро, выделяется энергия связи нуклонов друг с другом. Сильнее всего связаны нуклоны в ядрах с массовыми числами 50-60 (в середине периодической таблицы). Поэтому энергия выделяется как при делении тяжелых ядер, так и при слиянии (синтезе) легких ядер в одно ядро)

Выделение энергии при радиоактивном распаде

Цепная реакция деления ядер (исходные ядра дочерние ядра + нейтроны деление других ядер, стимулированное образующимися нейтронами)

Реакции синтеза легких атомных ядер (термоядерные реакции)

Выделение энергии в реакциях ядерного синтеза в сравнении с реакциями деления ядер

Термоядерные реакции, необходимые для них условия (чрезвычайно высокие температура и давление)

Естественные термоядерные реакторы - звёзды

Энергия связи нуклонов в ядре в сравнении с энергией связи электронов в атоме (энергия связи нуклонов в ядре намного больше энергии связи электронов в атоме)

11. Особенности биологического уровня организации материи

Системность живого (живая природа представляет собой иерархически организованную систему)

Иерархическая организация живого: клетка - единица живого

Иерархическая организация природных биологических систем:

биополимеры - органеллы - клетки - ткани - органы - организмы - популяции - виды

Иерархическая организация природных экологических систем:

особь - популяция - биоценоз - биогеоценоз - экосистемы более высокого ранга (саванна, тайга, океан) - биосфера)

Химический состав живого: элементы-органогены, микроэлементы, макроэлементы, их основная роль в живом

Химический состав живого: атом углерода - главный элемент живого, его уникальные особенности:

- способность атомов связываться друг с другом с образованием разнообразных структур, являющихся несущей основой органических молекул (многообразие органических молекул)

- способность связываться с другими атомами близких радиусов (кислородом, азотом, серой) с образованием менее прочных связей (возникновение функциональных групп), которые обусловливают химическую активность органических соединений

- способность к образованию двойных, тройных связей - другая причина химической активности

- функциональные группы (если их не менее двух в молекуле) и кратные связи обусловливают способность к образованию высокомолекулярных соединений

- возможность существования в виде асимметричного (хирального) центра - одна из причин хиральности молекул живого

Химический состав живого: вода, ее роль для живых организмов:

- высокая полярность молекул воды и как следствие - ее химическая активность и высокая растворяющая способность

- высокие теплоемкость, теплота испарения и теплота плавления - основа поддержания температурного гомеостаза живых организмов и регулирования климата планеты

- аномальная плотность в твердом состоянии - причина существования жизни в замерзающих водоемах

- высокое поверхностное натяжение - жизнь на поверхности гидросферы, передвижение растворов по сосудам растений

Химический состав живого: особенности органических биополимеров как высокомолекулярных соединений - высокая молекулярная масса, способность образовывать пространственные и надмолекулярные структуры, разнообразие строения и свойств

Симметрия и асимметрия живого

Хиральность молекул живого (способность отклонять поляризованные лучи света)

Открытость живых систем (они обмениваются с окружающей средой веществом и энергией)

Открытость живых систем

Обмен веществ и энергии

Самовоспроизведение

Гомеостаз как относительное динамическое постоянство состава и свойств внутренней среды живой системы

Каталитический характер химии живого

Специфические свойства ферментативного катализа: чрезвычайно высокие избирательность и скорость ферментативных реакций, главные причины чего - комплементарность фермента и реагента, высокомолекулярный характер фермента

12. Принципы воспроизводства живых систем

Полипептиды как предшественники белков

Белки как высокомолекулярные соединения с особым комплексом свойств

Аминокислоты - мономеры белков

Уровни организации белковой молекулы (первичная (последовательность аминокислот в белковой молекуле), вторичная (образование спирали), третичная (спираль сворачивается в шарик - глобулу), четвертичная (объединение нескольких глобул))

Функции белков: ферментативная, регуляторная, транспортная, защитная, двигательная (сократительные белки)

Липиды и их функции: энергетическая, структурная (липидные мембраны)

Углеводы и их функции: энергетическая, структурная

Нуклеотиды - мономеры нуклеиновых кислот (состоят из азотистого основания, дезоксирибозы или рибозы, и остатка фосфорной кислоты)

Нуклеиновые кислоты (полинуклеотиды) - ДНК, РНК (в молекулах РНК вместо тимина урацил, вместо дезоксирибозы - рибоза)

Азотистые основания: аденин, гуанин, цитозин, тимин, урацил

Комплементарность, комплементарные пары азотистых оснований (способность азотистых оснований избирательно соединяться друг с другом: А-Т (аденин соединяется с тимином), Г-Ц(гуанин - с цитозином))

Комплементарность цепей ДНК - основа важнейших функций: хранения и передачи наследственной информации

Функции нуклеиновых кислот и процессы редупликации (удвоение цепи ДНК), транскрипции (переписывание информации с ДНК на информационную РНК), трансляции (синтез белка на основе генетического кода информационной РНК)

Генетический код

Кодон (триплет) (элементарная единица наследственности, кодирующая одну аминокислоту, состоит из 3х нуклеотидов. Вырожденность кода: одной аминокислоте может соответствовать несколько триплетов))

Свойства генетического кода: триплетность, вырожденность, однозначность, универсальность, непрерывность (отсутствие пробелов и знаков препинания между триплетами (кодонами))

13. Гравитация

Гравитация первым из четырех фундаментальных взаимодействий стала предметом научного исследования. Созданная в ХVII в. ньютоновская теория гравитации (закон всемирного тяготения) позволила впервые осознать истинную роль гравитации как силы природы.

Гравитация обладает рядом особенностей, отличающих ее от других фундаментальных взаимодействий. Наиболее удивительной особенностью гравитации является ее малая интенcивность. Гравитационное взаимодействие в 10³⁹ раз меньше силы взаимодействия электрических зарядов. Как может такое слабое взаимодействие оказаться господствующей силой во Вселенной?

Все дело во второй удивительной черте гравитации - ее универсальности. Ничто во Вселенной не может избежать гравитации. Каждая частица испытывает на себе действие гравитации и сама является источником гравитации, вызывает гравитационное притяжение. Гравитация возрастает по мере образования все больших скоплений вещества. И хотя притяжение одного атома пренебрежимо мало, но результирующая сила притяжения со стороны всех атомов может быть значительной. Это проявляется и в повседневной жизни: мы ощущаем гравитацию потому, что все атомы Земли сообща притягивают нас. Зато в микромире роль гравитации ничтожна. Никакие квантовые эффекты в гравитации пока не доступны наблюдению.

Если бы размеры атома водорода определялись гравитацией, а не взаимодействием между электрическими зарядами, то радиус низшей (самой близкой к ядру) орбиты электрона превосходил бы радиус доступной наблюдению части Вселенной.

Кроме того, гравитация - дальнодействующая сила природы. Это означает, что, хотя интенсивность гравитационного взаимодействия убывает с расстоянием, оно распространяется в пространстве и может сказываться на весьма удаленных от источника телах. В астрономическом масштабе гравитационное взаимодействие, как правило, играет главную роль. Благодаря дальнодействию гравитация не позволяет Вселенной развалиться на части: она удерживает планеты на орбитах, звезды в галактиках, галактики в скоплениях, скопления в Метагалактике.

Сила гравитации, действующая между частицами, всегда представляет собой силу притяжения: она стремится сблизить частицы. Гравитационное отталкивание еще никогда не наблюдалось.

14. Электромагнетизм

По величине электрические силы намного превосходят гравитационные, поэтому в отличие от слабого гравитационного взаимодействия электрические силы, действующие между телами обычных размеров, можно легко наблюдать. Электромагнетизм известен людям с незапамятных времен (полярные сияния, вспышки молнии и др.).

В течение долгого времени электрические и магнитные процессы изучались независимо друг от друга. Решающий шаг в познании электромагнетизма сделал в середине XIX в. Дж.К Максвелл, объединивший электричество и магнетизм в единой теории электромагнетизма - первой единой теории поля.

Существование электрона (единицы электрического заряда) было твердо установлено в 90-е гг. XIX в. Но не все материальные частицы являются носителями электрического заряда. Электрически нейтральны, например, фотон и нейтрино. В этом электричество и отличается от гравитации. Все матеpиальные частицы создают гравитационное поле, тогда как с электромагнитным полем связаны только заряженные частицы.

Долгое время загадкой была и природа магнетизма. Как и электрические заряды, одноименные магнитные полюсы отталкиваются, а разноименные - притягиваются. В отличие от электрических зарядов магнитные полюсы встречаются не по отдельности, а только парами - северный полюс и южный. Хорошо известно, что в обычном магнитном стержне один конец действует как северный полюс, а другой - как южный. Еще с древнейших времен известны попытки получить посредством разделения магнита лишь один изолированный магнитный полюс - монополь. Но все они заканчивались неудачей: на месте разреза возникали два новых магнита, каждый из которых имел и северный, и южный полюсы. Может быть, существование изолированных магнитных полюсов в природе исключено? Определенного ответа на этот вопрос пока не существует. Некоторые современные теории допускают возможность существования монополя.

Электрическая и магнитная силы (как и гравитация) являются дальнодействующими, их действие ощутимо на больших расстояниях от источника. Электромагнитное взаимодействие проявляется на всех уровнях материи - в мегамире, макромире и микромире. Как и гравитация, оно подчиняется закону обратных квадратов.

Электромагнитное поле Земли простирается далеко в космическое пространство; мощное поле Солнца заполняет всю Солнечную систему; существуют и галактические электромагнитные поля. Электромагнитное взаимодействие определяет также структуру атомов и отвечает за подавляющее большинство физических и химических явлений и процессов (за исключением ядерных). К нему сводятся все обычные силы: силы упругости, трения, поверхностного натяжения, им определяются агрегатные состояния вещества, оптические явления и др.

15. Слабое взаимодействие

К выявлению существования слабого взаимодействия физика продвигалась медленно. Слабое взаимодействие ответственно за распады частиц; и поэтому с его проявлением столкнулись с открытием радиоактивности и исследованием бета-распада.

У бета-распада обнаружилась в высшей степени странная особенность. Исследования приводили к выводу, что в этом распаде как будто нарушается один из фундаментальных законов физики - закон сохранения энергии. Казалось, что часть энергии куда-то исчезала. Чтобы «спасти» закон сохранения энергии, В. Паули предположил, что при бета-распаде вместе с электроном вылетает, унося с собой недостающую энергию, еще одна частица. Она - нейтральная и обладает необычайно высокой проникающей способностью, вследствие чего ее не удавалось наблюдать. Э. Ферми назвал частицу-невидимку «нейтрино».

Но предсказание нейтрино - это только начало проблемы, ее постановка. Нужно было объяснить природу нейтрино, но здесь оставалось много загадочного. Дело в том, что электроны и нейтрино испускались нестабильными ядрами. Но было неопровержимо доказано, что внутри ядер нет таких частиц. Об их возникновении было высказано предположение, что электроны и нейтрино не существуют в ядре в «готовом виде», а каким-то образом образуются из энергии радиоактивного ядра. Дальнейшие исследования показали, что входящие в состав ядра нейтроны, предоставленные самим себе, через несколько минут распадаются на протон, электрон и нейтрино, т.е. вместо одной частицы появляется три новые. Анализ приводил к выводу, что известные силы не могут вызвать такой распад. Он, видимо, порождался какой-то иной, неизвестной силой. Исследования показали, что этой силе соответствует некоторое слабое взаимодействие.

Слабое взаимодействие по величине значительно меньше всех взаимодействий, кроме гравитационного, и в системах, где оно присутствует, его эффекты оказываются в тени электромагнитного и сильного взаимодействий. Кроме того, слабое взаимодействие распространяется на очень незначительных расстояниях. Радиус слабого взаимодействия очень мал. Слабое взаимодействие прекращается на расстоянии, большем 10^-16 см от источника, и потому оно не может влиять на макроскопические объекты, а ограничивается микромиром, субатомными частицами. Когда началось лавинообразное открытие множества нестабильных субъядерных частиц, то обнаружилось, что большинство из них участвуют в слабом взаимодействии.

16. Сильное взаимодействие

Последнее в ряду фундаментальных взаимодействий - сильное взаимодействие, которое является источником огромной энергии. Наиболее характерный пример энергии, высвобождаемой сильным взаимодействием, - Солнце. В недрах Солнца и звезд непрерывно протекают термоядерные реакции, вызываемые сильным взаимодействием. Но и человек научился высвобождать сильное взаимодействие: создана водородная бомба, сконструированы и совершенствуются технологии управляемой термоядерной реакции.

К представлению о существовании сильного взаимодействия физика шла в ходе изучения структуры атомного ядра. Какая-то сила должна удерживать положительно заряженные протоны в ядре, не позволяя им разлетаться под действием электростатического отталкивания. Гравитация слишком слаба и не может это обеспечить; очевидно, необходимо какое-то взаимодействие, причем, более сильное, чем электромагнитное. Впоследствии оно было обнаружено. Выяснилось, что хотя по своей величине сильное взаимодействие существенно превосходит все остальные фундаментальные взаимодействия, но за пределами ядра оно не ощущается. Как и в случае слабого взаимодействия, радиус действия новой силы оказался очень малым: сильное взаимодействие проявляется на расстоянии, определяемом размерами ядра, т.е. примерно 10^-13 см. Кроме того, выяснилось, что сильное взаимодействие испытывают не все частицы. Так, его испытывают протоны и нейтроны, но электроны, нейтрино и фотоны неподвластны ему. В сильном взаимодействии участвуют обычно только тяжелые частицы. Оно ответственно за образование ядер и многие взаимодействия элементарных частиц.

Теоретическое объяснение природы сильного взаимодействия развивалось трудно. Прорыв наметился только в начале 60-х гг., когда была предложена кварковая модель. В этой теории нейтроны и протоны рассматриваются не как элементарные частицы, а как составные системы, построенные из кварков.

Таким образом, в фундаментальных физических взаимодействиях четко прослеживается различие сил дальнодействующих и близкодействующих. С одной стороны, взаимодействия неограниченного радиуса действия (гравитация, электромагнетизм), а с другой - малого радиуса (сильное и слабое). Мир физических процессов развертывается в границах этих двух полярностей и является воплощением единства предельно малого и предельно большого - близкодействия в микромире и дальнодействия во всей Вселенной.

17. Экосистемы (многообразие живых организмов - основа организации и устойчивости биосферы)

Понятия об экосистеме и биогеоценозе (комплекс живых и неживых компонентов, в котором происходит круговорот веществ)
Элементы экосистем (биотоп (место обитания), биоценоз (сообщество организмов))

Биотическая структура экосистем: продуценты (растения, синтезируют органическое вещество из неорганического), консументы (животные), редуценты (микроорганизмы и грибы, разлагают органическое вещество)

Виды природных экосистем (озеро, лес, пустыня, тундра, .., океан, биосфера)

Пищевые (трофические) цепи, пирамиды

Энергетические потоки в экосистемах, правило 10% (в цепях питания при переходе с одного трофического уровня на другой усваивается только 10% энергии, остальное рассеивается в виде тепла)

Экологические факторы: биотические (влияние одних видов на другие) и абиотические (температура, свет, влажность, химические вещества) факторы, антропогенные факторы Формы биотических отношений (хищник-жертва, паразитизм, нейтрализм)

Толерантность, пределы толерантности (не только недостаток, но и избыток какого-либо фактора - тепла, света, влажности и т.д. - может ограничивать существование организма. Диапазон значений параметров окружающей среды, при котором организм может существовать, составляет пределы толерантности)

Среда обитания и экологическая ниша (совокупность условий, необходимых для существования популяций)

18. Биосфера

Понятие о биосфере (совокупность живых организмов на Земле вместе со средой обитания)

Вещество: живое, косное (неживое вещество), биокосное (формируется в результате взамиодействия живого и неживого вещества, например, почва, озерная вода), биогенное (образуется в результате жизнедеятельности живых организмов - нефть, уголь, известняки, газы атмосферы)

Системные свойства биосферы: постоянство массы живого вещества в ходе геологических периодов

Системные свойства биосферы: постоянство числа видов на протяжении геологических периодов

Геохимические функции живого вещества:

- газовая (поглощение и выделение углекислого газа и кислорода)

- концентрационная (способность живых организмов накапливать определенные химические элементы - залежи мела, известняки, нефть, уголь)

- деструктивная (разрушение и переработка органических останков, в результате чего происходит круговорот веществ в природе)

- средообразующая (преобразование окружающей среды под воздействием живого вещества)

- энергетическая (обеспечиваются потоки энергии, растения преобразуют солнечную энергию в биохимическую энергию живого вещества)

Биогенная миграция атомов химических элементов (круговорот веществ при участии живых организмов)

Биогеохимические принципы миграции: стремление к максимуму проявления

Биогеохимические принципы миграции: эволюция видов, увеличивающих биогенную миграцию (крупные животные сменяются мелкими, появляются все более сложные формы жизни)

19. Человек в биосфере

Антропогенез (происхождение человека)

Палеонтология (наука об ископаемых животных и растениях)

Приматы (отряд млекопитающих, включающий обезьян и человека)

Основные этапы эволюции рода Homo и его предшественников (стадиальная концепция): протоантропы (австралопитеки), архантропы, палеоантропы, неоантропы

Виды:

- Человек умелый (Homo habilis),

- Человек прямоходящий (Homo erectus)

- Человек разумный (Homo sapiens)

Характерные особенности человека: трудовая деятельность, использование огня, развитие речи, способность к абстрактному мышлению, наличие фонда социальной и культурной информации

Возрастание роли социальных эволюционных факторов (передача накопленных знаний, технологий, традиций) и ослабление биологических (движущего и дизруптивного отборов, изоляции, популяционных волн)

Неолитическая революция (9 тыс. до н.э. скотоводство, земледелие, оседлый образ жизни, доместикация - одомашивание животных, рост народонаселения, освоение металлургии

Экологические последствия неолитической революции (опустынивание из-за сжигания лесов, сокращение численности животных)

Коэволюция (совместная эволюция различных видов, их приспособление друг к другу. Коэволюция приводит к увеличению разнообразия и сложности в природе)

20. Глобальный экологический кризис (экологические функции литосферы, экология и здоровье)

Загрязнение окружающей среды:

- ингредиентное (совокупность веществ, качественно или количественно чуждых биоценозу)

- физическое (или параметрическое) (изменение качественных параметров окружающей среды - шумовое, световое, тепловое, электромагнитное, радиационное)

- деструктивное (изменение ландшафта и экосистем в процессе природопользования)

Индикаторы глобального экологического кризиса:

- усиление парникового эффекта (из-за увеличения содержания газов, поглощающих инфракрасное излучение)

- проблема озонового слоя

- деградация лесных, земельных, водных ресурсов

- снижение биоразнообразия

Понятие ноосферы как этапа развития биосферы при разумном регулировании отношений человека и природы

Устойчивое развитие как компромисс между стремлением человечества удовлетворять свои потребности и необходимостью сохранения биосферы для будущих поколений

Литература

1. Найдыш В.М. «Концепции современного естествознания», М., 1999г.

2. Данилова В.С., Кожевников Н.Н. «Основные концепции современного естествознания. Аспект Пресс» М., 2000г.

3. Горелов Г.И. «Концепции современного естествознания» М., 1997г.

4. Рузавин Г.И. «Концепции современного естествознании» М., ЮНИТИ

5. Дубнищева Т.Я. «Концепции современного естествознании» Новосибирск 1997г. ЮКЭА

6. Лавриненко В.Н. «Концепции современного естествознании» М. 1997г.

7. Рейхенбах Г. «Философия пространства и времени» М. Наука, 1985.

8. Моисеев Н.Н. «Время в нас и вне нас» Л.: Лениздат, 1994.

9. Пригожин И., Стенгерс И. «Порядок из хаоса» М.: Мир, 1986г.

Размещено на Allbest.ru

...