Концепции современного естествознания

Размещено на http://www.allbest.ru/

Основные положения по курсу

«Концепции современного естествознания» (требование государственного общеобразовательного стандарта)

1. Научный метод познания

Наука - сфера человеческой деятельности, функцией которой является выработка и теоретическая интерпретация объективных знаний

Научное познание имеет тройственную задачу, связанную с описанием, объяснением, предсказанием возможного поведения процессов и явлений

Научная грамотность - способность понимать достаточно хорошо, чтобы быть в состоянии следить за обсуждением спорных вопросов науки, техники и общества, а при необходимости - участвовать в нем.

Свойства научного познания:

- объективность - воспроизведение действительности такой, какой она существует сама по себе, вне и независимо от человека и его сознания

- достоверность - связана с постоянной проверкой полученных результатов

- системность - стремление к целостностному охвату объекта изучения, заключающееся в исследовании явлений и объектов как части целостностной системы и сведению многообразных типов связей элементов системы в единую теоретическую картину

Методы научного познания:

- наблюдение - преднамеренное и целенаправленное изучение объектов и явлений, опирающееся на чувственные способности человека

- эксперимент - изучение объекта или явления путем активного, целенаправленного, строго контролируемого воздействия исследователя на изучаемый объект или явление.

Эксперимент непременно должен обладать качеством воспроизводимости.

- измерение - определение количественных значений, свойств и сторон изучаемого объекта или явления с помощью специальных средств. Это достигается совокупностью операций по определению отношения одной (измеряемой) величины к другой однородной величине, принятой за единицу.

- дедукция - способ рассуждения или метод движения знаний от общего к частному

- индукция - способ исследования и рассуждения, в котором общий вывод строится на основе обобщения частных посылок

- анализ - мысленное или реальное расчленение, разложение объекта на составные элементы в целях всестороннего изучения

- синтез - соединение, ранее выделенных частей предмета, в единое целое

- абстрагирование - отвлечение от ряда, несущественных для данного исследования, свойств изучаемого явления с одновременным выделением интересующих свойств и отношений

- моделирование - изучение объекта путем создания и исследования его копии, замещающей объект исследования с определенных сторон

- гипотеза - интуитивное научное предположение о природе наблюдаемых явлений, основанное на анализе экспериментальных данных

- научный закон - многократно экспериментально проверенная и подтвержденная гипотеза переходит в разряд научных законов

- научная теория - это группа научных законов, описывающая совокупность родственных явлений с единой точки зрения.

Требования к гипотезам, законам, теориям:

- они должны соответствовать принципу верификации (верификация - эмпирическое подтверждение теоретических положений науки)

- они должны соответствовать принципу фальсифицируемости (опровергаемости) суть которого заключается в том, что из теоретических положений должны выводиться положения, поддающиеся проверке, и должен быть возможен результат эксперимента, демонстрирующий неверность теории. Принцип фальсифицируемости научных положений, т.е. их свойство быть опровергнутыми на практике, является критерием статуса научной или ненаучной теории.

Принцип соответствия - теория, справедливость которой была экспериментально подтверждена для той или иной категории явлений, с разработкой новой, более общей теории, не устраняется как нечто неверное. Новая теория не отвергает старую, а лишь устанавливает границы ее применимости. Она совпадает со старой в рамках указанных границ.

Примеры:

Квантовые эффекты существенны лишь при рассмотрении объектов, сравнимых с постоянной Планка (это микромир). При рассмотрении макроскопических объектов, их квантовые свойства оказываются несущественными, и квантовая механика переходит в классическую механику.

Специальная теория относительности переходит в классическую механику, если скорости движения тел много меньше скорости света. Это и определяет границы применимости классической механики.

2. Естественнонаучная и гуманитарные культуры

Наука - раздел культуры

Естествознание - комплекс наук о природе

Естественные науки:

- исследуют повторяющиеся (типичные), универсальные процессы в природе

- истолковывают явления

- характеризуются упором на строго объективную количественную оценку изучаемых явлений

Систему естественных наук можно представить в виде иерархической лестницы, каждая ступень которой является фундаментом для следующей науки, основывающейся на данных предыдущей: физика, химия, биология. Это обусловлено тем, что химические свойства веществ однозначно определяются физическими свойствами атомов и молекул, которые описываются в таких разделах физики, как термодинамика, электромагнетизм и квантовая физика, а биологические явления невозможно рассматривать вне связи с химическими и физическими факторами.

Примеры дифференциации естественных наук: физика твердого тела, физика плазмы, органическая химия.

Примеры интеграции естественных наук: биофизика, биохимия, астробиология.

Математика играет роль универсального языка естествознания, предназначенного не только для лаконичной записи различных утверждений, но и выступает в качестве аппарата - особого приема исследования и обобщения опытного материала.

Гуманитарные науки (гуманитарно-художественная культура) исследуют рациональное и эмоциональное поведение людей и их установки, которые необходимы для социального, культурного, политического и экономического взаимодействия.

В гуманитарных науках (в отличие от естественных наук):

- нестрогий образный язык

- изучаются явления, вероятность повторения которых мала

- предмет изучения всегда историчен

- выделение индивидуальных свойств изучаемых предметов

- сложность (или невозможность) верификации и фальсификации

- знание субъективно (различие этических, эстетических, религиозных и др. взглядов приводит к тому, что осуществляется индивидуальная оценка явлений, результатом чего и является многовариантность представлений, оценок и позиций по исследуемому явлению).

Отличительные черты псевдонауки:

- фрагматичность (несистемность) - отсутствие определенной системы псевдонаучных знаний, вследствие чего из них не выстраивается цельная картина мира

- некритический подход к исходным данным (часто, в качестве последних выступают рассказы, пересказы «очевидцев», мифы, легенды)

- невосприимчивость к критике

- отсутствие общих законов

- неверифицируемость и нефальсифицируемость псевдонаучных данных.

Примеры псевдонаук:

- астрология: занимается изучением зависимости судьбы человека от положения планет

- уфология: занимается поисками внеземных цивилизаций

- парапсихология: предметом ее изучения является взаимодействие человека с потусторонним миром

- девиантная наука: в рамках ее имеют место фальшивые археологические находки.

3. Развитие научных исследовательских программ и картин мира (история естествознания, тенденции развития)

Естественнонаучная картина мира - это система представлений об общих закономерностях в природе, сформированная в результате анализа и синтеза знаний, полученных в рамках различных естественнонаучных дисциплин. Таким образом, научная картина мира это теоретизированная система научного понимания внешнего мира.

Фундаментальные вопросы, на которые отвечает научная картина мира:

- о материи

- о движении

- о взаимодействии

- о пространстве и времени

- о причинности, закономерности и случайности

- о космологии (общем устройстве и происхождении мира)

В древней Греции появилась первая программа рационального объяснения мира:

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

- атомистическая исследовательская программа Левкиппа и Демокрита: все состоит из дискретных атомов; все сводится к перемещению атомов в пустоте

- континуальная исследовательская программа Аристотеля: все формируется из непрерывной, бесконечно делимой материи, не оставляющей места пустоте.

Механистическая картина мира:

- все явления объясняются законами Ньютона, т.е. механикой тел (атомов), их перемещением, столкновением, взаимодействием и т.д.

- в основе механистической картины мира лежит геометрия Евклида

- микромир аналогичен макромиру, управляется одними и теми же законами. Живая и неживая природа построены из механических деталей, но имеющих разные размеры и сложность.

Квантово-полевая картина мира:

- материя существует в виде вещества, поля, физического вакуума

- причинность имеет вероятностный характер. Случайность и неопределенность - фундаментальные свойства вселенной

4. Развитие представлений о материи

Разобьем эволюцию представлений о материи на этапы:

1 этап Милийская школа (VI - IV века до н.э.)

Представители школы (Фалес, Анаксимандр, Анаксимен) считали, что в мире существует материальный первоисточник (первоначало) всего сущего (всех вещей). У разных мыслителей эта первооснова была разной: у Фалеса - вода, у Анаксимена - воздух, у Гераклита - огонь, у Анаксимандра - айперон (это вечное и бесконечное, находящееся в непрерывном движении единое материальное начало и источник конкретных вещей и явлений)

2 этап Атомистическая концепция (IV - III века до н.э.)

Главным образом связана с именами Левкиппа и Демокрита.

Основные положения:

- в мире есть два начала: пустота (небытие) и атомы (бытие)

- в абсолютной пустоте окружающего пространства существует бесконечное число мельчайших неделимых - атомов, которые имеют разнообразную форму и движутся в пустоте беспорядочно, иногда сталкиваются и отталкиваются друг от друга, но иногда сцепляются в разных положениях и сочетаниях, что означает образование вещей с разным качеством (даже Земля и звезды)

- атомы никогда не возникают и никогда не погибают (т.е. вечны)

- атомы наделены свойством тяжести

- атомы бывают самой разнообразной формы и различны по размерам, но все они столь малы, что невидимы

- эта концепция не допускает беспредельной делимости материи.

Континуальная концепция (концепция непрерывной материи) Аристотеля (IV век до н.э.) отрицает пустоту в природе, рассматривая материальный мир в виде, непрерывно заполняющей все пространство, субстанции, в которой совершаются движения. По Аристотелю - Космос ограничен сферой, в центре которой находится земной шар. За пределами этой сферы нет ничего - ни пространства, ни времени.

Внутри этой сферы (т.е. во Вселенной) нет пустоты - все заполняет материя (первоматерия).

Материя (первоматерия) - это непрерывная, бесконечноделимая и сама по себе не имеющая определенных качеств, бесформенная субстанция.

В подлунном мире:

- первоэлементы (стихии): земля, вода, воздух и огонь образуются соединением материи с формами (простейшие из форм - теплое, холодное, сухое и влажное)

- вещества (металлы, глина, кровь и др.) образуются соединением первоэлементов (стихий)

- тела образуются из веществ

В надлунном мире все состоит из эфира.

3 этап (XVIII - XIX века)

В механистической картине мира - независимыми началами мироздания являются вещественные тела, состоящие из мельчайших корпускул, и абсолютное пространство, в котором тела движутся по мере течения абсолютного времени

В электромагнитной картине мира - материя состоит из вещества и непрерывного электромагнитного поля.

Эффект Доплера заключается в изменении длины волны излучения (или частоты волны), воспринимаемого приемником от источника, при их движении друг относительно друга. При удалении приемника от излучателя, воспринимаемая им длина волны увеличивается (частота уменьшается), а при сближении - уменьшается (частота увеличивается) по сравнению со случаем их взаимной неподвижности. Эффект лежит в основе измерения скорости движения различных объектов и широко используется в авиации, космической технике, в астрофизике. Эффект Доплера характерен для любых волн (свет, звук и т.д.). Обнаружение доплеровского «красного смещения» в спектрах излучения далеких галактик привело к выводу о расширении Вселенной.

В первоначальной электромагнитной теории Максвелла считалось, что все мировое пространство заполнено легчайшей упругой средой - мировым эфиром, колебания которого и есть свет.

Химия:

- каждому химическому элементу соответствует свой определенный атом

- вещество - это совокупность молекул одинакового состава и строения

- свойства вещества определяются не только составом, но и строением его молекул.

4 этап (XX век)

- существуют различные формы материи: вещество, поле, физический вакуум (это состояние материи с минимальной энергией, порождающее виртуальные частицы)

- атомы делимы

- вещество - это материальное образование, состоящее из взаимодействующих элементарных частиц, имеющих массу покоя

- вещество составляет лишь небольшую часть Вселенной

- в определенных ситуациях физическое поле может быть представлено как совокупность дискретных частиц - квантов поля

- свойства материальных объектов неотделимы от свойств пространства и времени

- атом - электронейтральная частица, состоящая из положительно заряженного ядра и отрицательно заряженных электронов

- свойство вещества определяется электронным строением его молекул.

Примеры: расположить представления о материи в порядке их возникновения:

Пример 1. - существует несколько, качественно различных форм материи, но резкой грани между ними нет (3)

- существует единая форма материи - вещество, состоящее из дискретных частиц (2)

- в основе всех вещей лежит единое первоначало (1)

Пример 2. - все мировое пространство заполнено легчайшей упругой средой - мировым эфиром, колебания которого и есть свет (2)

- абсолютной пустоты не существует: физический вакуум является сложноустроенной формой материи, обладающей нетривиальными свойствами (3)

- пустоты не существует: Вселенная плотно заполнена непрерывной, бесконечноделимой, бескачественной материей (1).

5. Развитие представлений о движении

Рассмотрим эволюцию представлений о движении поэтапно:

1 этап Гераклит (VI век до н.э.) разработал концепцию непрерывного изменения, становления. В рамках этой концепции движение необратимо, невозможно вернуться в однажды пройденное состояние (у него возникает знаменитый образ реки, в которую нельзя войти дважды, поскольку в каждый момент она все новая)

Аристотель (IV век до н.э.):

- мир в целом приведен в движение перводвигателем (богом)

- материи чуждо движение: сама по себе она может пребывать только в покое; она начинает движение лишь под действием внешних, независимых от нее, сил

Аристотель разделил движение на два типа:

Естественные движения:

а) в надлунном мире, где все вечно, совершенно и неизменно - естественное движение небесных тел (планет) - равномерное круговое (это движение от бога необъяснимо)

б) в подлунном мире (где четыре элемента имеют свои естественные места: Земля в центре, над ней сфера воды, над которой сфера воздуха и над всем этим сфера огня) все тела имеют врожденное свойство стремиться к своему естественному месту (т.е. к покою).

В рамках этой концепции:

- «естественное» движение в земных условиях, где все имеет начало и конец, должно быть прямолинейным

- воздух из под воды стремиться вверх; огонь - вверх; камень - вниз и т.д.

- сила стремления тела к естественному месту пропорциональна его массе, т.е. тяжелые тела падают быстрее, чем легкие.

Насильственные движения (на Земле):

- источник «насильственного движения» тел это всегда внешняя причина, т.е. независимая от движущегося тела, контактная сила от другого тела

- примеры насильственного движения: движение телеги обусловлено, прилагаемой лошадью, силой; камень летит потому, что к нему приложил силу человек и т.п.

2 этап Механистическая картина мира (механика Ньютона) - XVIII-XIX века.

В механике Ньютона тела рассматриваются как материальные точки, т.е. абстрактные тела нулевых размеров, наделенных массой реального тела.

Движение в классической механике определяется тремя законами Ньютона:

I закон Ньютона (закон инерции): если на тело (материальную точку) не действует сила, то оно либо находится в покое, либо движется прямолинейно и равномерно. Не подверженные внешнему воздействию, тела называются свободными. Первый закон фактически постулирует, что существуют системы отсчета, в которых свободное тело или покоится или движется прямолинейно и равномерно. Такие системы называются

инерциальными системами отсчета.

II закон Ньютона: ускорение движущегося тела прямо пропорционально действующей на него силе и обратно пропорционально массе тела и направлено по прямой, по которой эта сила направлена, т.е.

III закон Ньютона (закон действия и противодействия): силы взаимодействия двух тел (материальных точек) равны по величине, противоположно направлены и действуют вдоль прямой, соединяющей эти материальные точки, т.е.

.

В механике Ньютона:

- второй и третий законы Ньютона выполняются только в инерциальных системах отсчета

- согласно второму закону Ньютона, масса тела есть мера его инертности

- движение - механическое перемещение тел может происходить со сколь угодно большой скоростью

- время - параметр движения; уравнения механики безразличны к знаку времени

- любое сложное движение можно представить как сумму пространственных перемещений (принцип суперпозиции).

В механистической картине мира признавался только один вид движения - механическое перемещение в пространстве и времени. На основании этого считалось:

- атомы движутся по законам классической механики, и это движение позволяет объяснить все, происходящие в мире, явления

- химические процессы - механические перемещения частиц, механическая форма движения

- живой организм - механизм, и все процессы, протекающие в организме, можно описать с помощью законов механики и т.п.

Электромагнитная картина мира (XIX век). В этой картине мира движение - не только перемещение зарядов, но и изменение электромагнитного поля. Таким образом, взаимодействие заряженных частиц представляет собой электромагнитную форму движения. Изменение электромагнитного поля сопровождается распространением электромагнитных волн.

Волновые процессы:

- дифракция волн - огибание волнами препятствий; имеет место, если размеры препятствий порядка длины волны

- интерференция волн - наложение волн, при котором происходит их взаимное усиление в одних точках пространства и ослабление в других; возникает при воздействии двух и более волн одинаковой частоты в случае, если разность фаз постоянна во времени (т.е. волны когерентны).

3 этап (XX век) Любое изменение материи называется движением. Так, например, движение - это возникновение и уничтожение тел, их рост и уменьшение, изменение качества, перемена мест.

Соответственно существуют и различные виды движения материи: механическое, тепловое, полевое (электромагнитные волны), химическое, биологическое и т.п.

Например:

- превращение веществ - химическая форма движения

- обмен веществ, процессы, происходящие на клеточном уровне, наследственность, изменчивость - биологическая форма движения.

Движение тел со скоростями, сравнимыми со скоростью света, описывается специальной теорией относительности. Движение мельчайших частиц подчиняется законам квантовой механики.

Примеры: расположите представления о движении в порядке их возникновения.

Пример 1. - атомы движутся по законам классической механики, и это движение позволяет объяснить все происходящие в мире явления (2)

- материи чуждо движение само по себе: она может пребывать лишь в покое (1)

- движение мельчайших частиц подчиняется закону квантовой механики (3)

Пример 2. - все движущееся движимо другими телами, а мир в целом приведен в движение перводвигателем (1)

- химические процессы - механическое перемещение частиц, механическая форма движения (2)

- превращение веществ - химическая форма движения материи, более сложная, чем механическая (3).

6. Развитие представлений о взаимодействии

Взаимодействие в физике - это воздействие тел или частиц друг на друга, приводящее к изменению состояния их движения

Аристотель (IV век до н.э.) рассматривал взаимодействие как одностороннее воздействие движущего на движимое. Им рассматривалась передача воздействия только через контакт между телами (т.е. рассматривалась только контактная сила), что и было первоначальной формой концепции близкодействия

В классической механике (в механической картине мира XVIII - XIX века) взаимное действие тел друг на друга характеризуется силой. В основе представлений о взаимодействии, в этой теории, лежат два закона:

- III закон Ньютона (объясняющий взаимодействие двух тел): силы, с которыми действуют друг на друга взаимодействующие тела, равны по величине и противоположно направлены. Этот закон применим как для контактирующих тел, так и для взаимодействующих на расстоянии

- закон всемирного тяготения: два материальных тела, разделенные пространством, притягиваются друг к другу с силой, прямо пропорциональной произведению их масс и обратно пропорциональной квадрату расстояния между ними и направленной вдоль прямой, соединяющей их (F = G*m1*m2/r2)

Вышеуказанные законы сформулированы для двух взаимодействующих тел. Для определения взаимодействия нескольких тел применяется принцип суперпозиции: результат воздействия на частицу нескольких внешних сил (полей) есть сумма результатов воздействия каждой из сил (каждого из полей)

В классической механике Ньютона, при взаимодействии тел на расстоянии, принята концепция дальнодействия: взаимодействие материальных тел не требует материального посредника (может передаваться через пустоту); взаимодействие передается мгновенно. Закон всемирного тяготения является примером дальнодействия (непосредственного взаимодействия тел на расстоянии)

Классическая электродинамика (XIX век) (электродинамика Максвелла) - классическая теория электромагнитного взаимодействия.

В электродинамике Максвелла впервые возникло представление о полевом механизме взаимодействия:

- передача взаимодействия осуществляется материальным посредником - электромагнитным полем (в частном случае - электрическим или магнитным полем)

- электрическое поле возникает при наличии электрических зарядов, а магнитное - при их движении, т.е. движущиеся заряды создают в пространстве электромагнитное поле

- полевой механизм передачи взаимодействия заключается в том, что если заряд создает соответствующее поле, то именно оно и действует на другие заряды

- колеблющиеся электрические заряды порождают электромагнитные волны, в которых происходит периодическая «перекачка» электрического поля в магнитное и обратно

В электродинамике Максвелла утвердилась концепция близкодействия:

- каждое действие на расстоянии должно происходить через материальных посредников

- скорость передачи воздействия ограничена

Согласно этой концепции, любое воздействие на материальный объект передается от источника последовательно между точками пространства. Именно поэтому это воздействие передается за конечный промежуток времени

В современной картине мира (XX век) формулируется:

- представление о квантово-полевом механизме передачи взаимодействий

- взаимодействие осуществляется посредником - квантами полей

- передача взаимодействия основывается на концепции близкодействия

В настоящее время известны четыре вида фундаментальных взаимодействий в природе. Для всех четырех видов взаимодействия общим является:

- все фундаментальные взаимодействия носят обменный характер

При обменном взаимодействии, объекты действуют друг на друга, испуская и поглощая виртуальные частицы (виртуальными частицами называются такие частицы, которые невозможно экспериментально обнаружить в ходе обменного процесса)

Представим все четыре вида фундаментальных взаимодействий в порядке убывания их интенсивности (от более сильного взаимодействия к более слабому):

Сильное (ядерное) взаимодействие:

- ответственно за устойчивость (стабильность) атомных ядер, обеспечивая связь нуклонов в ядре, т.е. ему подвержены протоны и нейтроны

- превосходит силы электростатического отталкивания протонов в ядре и обеспечивает силы притяжения между ними

- является короткодействующим и сосредоточено на расстояниях, не превышающих размеры ядра атома

- переносчиками сильного взаимодействия являются виртуальные частицы - глюоны (масса покоя их равна нулю)

- глюоны «склеивают» кварки, входящие в состав протонов, нейтронов и др. частиц

Электромагнитное взаимодействие, характеризующее взаимодействие электрических зарядов, токов, электрических полей, сформулировано квантовой электродинамикой:

- связывает: электроны и ядра в атомы; атомы - в молекулы; молекулы - в тела

- переносчиками электромагнитного взаимодействия являются виртуальные частицы - кванты электромагнитного поля - фотоны (масса покоя их равна нулю)

- радиус взаимодействия не ограничен (но преобладает в области масштабов от радиуса атома до нескольких километров)

Слабое взаимодействие (или слабое ядерное взаимодействие):

- им обусловлены процессы радиоактивного распада атомных ядер многих изотопов (типичный пример: процесс бета-распада ядра, в ходе которого свободный нейтрон распадается на протон, электрон и электронное антинейтрино)

- радиус действия (порядка 10-17 м) во много раз меньше размера ядра атома

- переносчиками являются виртуальные частицы - промежуточные векторные бозоны - частицы с массой, примерно в 100 раз большей массы протонов и нейтронов

- играет важную роль в термоядерных реакциях (процессах), ответственных за энерговыделение в звездах, способствуя медленному протеканию ядерных процессов, обеспечивает длительное «горение» звезд и Солнца

- называется слабым, поскольку два других взаимодействия, значимые для ядерной физики (сильное и электромагнитное), характеризуются значительно большей интенсивностью

Гравитационное взаимодействие самое слабое из всех и характерно для всех материальных объектов вне зависимости от их природы:

- определяет движение планет в звездных системах, движение галактик, управляет эволюцией Вселенной

- ему подвержены все частицы, поля, волны

- радиус взаимодействия не ограничен

- переносчиками гравитационного взаимодействия являются виртуальные частицы - кванты гравитационного поля - гравитоны

- масса покоя гравитона равна нулю. До настоящего времени гравитоны экспериментально не обнаружены

- общепринятой теорией гравитационного взаимодействия является общая теория относительности, которая предсказывает существование гравитационных волн, носителем которых и может быть гравитон

Если интенсивность сильного взаимодействия принять за единицу, то относительные интенсивности других взаимодействий имеют следующие значения:

- электромагнитного - 10-2 (т.е. в 100 раз слабее сильного)

- слабого - 10-14

- гравитационного - 10-31

От интенсивности взаимодействия зависит время, в течение которого совершаются превращения элементарных частиц:

- ядерные реакции (сильное взаимодействие) происходят в течение 10-24 - 10-23 с

- изменения, обусловленные электромагнитным взаимодействием, осуществляются в течение 10-21 - 10-19 с

- изменения, обусловленные слабым взаимодействием (например, распад частиц) - в основном происходят в течение 10-10 с.

Таким образом, в микромире процессы, происходящие за счет слабого взаимодействия, протекаю достаточно медленно, по сравнению с процессами, за которые отвечают электромагнитное и сильное взаимодействия.

7. Принципы симметрии, законы сохранения

Симметрия и противоположное ей свойство природы - асимметрия (или неполная симметрия) являются фундаментальными понятиями естествознания, т.к. они, в известной мере, отражают степень упорядоченности систем, вследствие чего, помогают восприятию порядка в хаотической Вселенной и позволяют из разрозненных фрагментов знания получить целостную картину мира.

Симметрия:

- предполагает неизменность (инвариантность) объекта или свойств объекта по отношению к каким-либо преобразованиям, операциям, выполненных над объектом (простейший пример: если куб повернуть на 90, то он будет выглядеть точно так же, как и до поворота)

- понятие симметрии, как неизменности свойств объекта по отношению к операциям, выполненных над объектом, можно применить к материальным объектам, физическим законам и математическим формулам.

В природе не все объекты обладают симметрией, но не бывает и полного отсутствия симметрии (асимметрия - такое состояние, при котором симметрия отсутствует)

Нарушенные (неполные) симметрии, примеры:

- «живым» молекулам, в отличие от «неживых» молекул, присуща так называемая хиральность (хиральность - понятие, характеризующее свойство объекта быть несовместимым со своим отображением в идеальном плоском зеркале). Так ориентация ДНК - спираль, всегда правая

- у высших биологических объектов, в отличие от низших, имеет место асимметрия - разделение полов, где каждый пол вносит в процесс самовоспроизведения, свойственную только ему, генетическую информацию

- асимметрия на уровне элементарных частиц - это преобладание в нашей Вселенной частиц над античастицами

Эволюция есть цепочка нарушений симметрии. Это обусловлено:

- наибольшей симметрией обладают равновесные хаотические состояния системы

- при переходе материи на более высокий уровень организации, упорядоченности - снижается энтропия (как мера хаотичности), а тем самым и симметрия

Можно считать, что возникновение жизни в целом связано со спонтанным нарушением, имевшейся до того в природе, зеркальной симметрии (под действием радиации, температуры и т.п.) и нашло свое отражение в генах живых организмов.

По мере упорядочения живых организмов (живых систем), их усложнения в ходе развития жизни (эволюции), асимметрия все больше и больше превалирует над симметрией, вытесняя ее из биологических и физиологических процессов.

Простейшие симметрии:

- однородность (одинаковые свойства во всех точках)

- изотропность (одинаковые свойства во всех направлениях)

Симметрия пространства и времени. Пространство и время обладают тремя фундаментальными свойствами - тремя видами симметрии, связанными с однородностью времени, с однородностью и изотропностью пространства. Все, ниже описанные представления, справедливы лишь в предположении, что пространство и время образуют непрерывные континуумы, т.е. не дискретны (не состоят из кусков):

- свойство, называемое непрерывностью пространства, заключается в том, что между двумя различными точками пространства, как бы близко они ни были, всегда есть третья

- свойство, называемое непрерывностью времени, определяется тем, что между двумя моментами времени, как бы близко они ни были расположены, всегда можно выделить третий

Однородность пространства - характеризует симметрию по отношению к переходу системы, как целого, в пространстве. Это собственно означает:

- любые точки пространства равноценны, т.е. перенос любого объекта в пространстве не влияет на процессы, происходящие с этим объектом (например, свойства атомов на Земле и других небесных объектах одни и те же)

- возможность произвольного выбора начала отсчета пространственных координат

Изотропность пространства - характеризует симметрию по отношению поворота системы как целого в пространстве. Это означает:

- любые направления в пространстве равноценны, т.е. в повернутой установке, лаборатории и т.п., все процессы протекают так же, как и до поворота

- возможность произвольного выбора направлений системы пространственных координат

Однородность времени - характеризует симметрию, относительно произвольного сдвига во времени. Это свойство означает:

- любой физический процесс протекает одинаковым образом, независимо от того, когда он начался, т.е. позволяет сравнивать результаты аналогичных опытов, проведенных в разное время

- возможность выбора любого момента времени за начальный.

Двойственность свойств вышеуказанных симметрий связана с тем, что их можно рассматривать с двух точек зрения - как изменения положения самой системы (в пространстве и времени) и как изменения положения наблюдателя (и связанной с ним системы отсчета)

Законы сохранения:

- это физические законы, согласно которым числовые значения некоторых физических величин, характеризующих состояние системы, в определенных процессах не изменяются

- эти законы играют роль принципа запрета: любой процесс, при котором нарушается хотя бы один из законов сохранения, невозможен

Закон сохранения импульса системы тел (частиц): в замкнутой системе (т.е. результирующая всех сил равна нулю) сумма импульсов системы остается постоянной

Закон сохранения момента импульса системы тел (частиц): в замкнутой системе сумма моментов импульсов системы остается постоянной (если к телам этой системы не приложены моменты внешних сил)

Законы сохранения (и превращения) энергии: суммарная энергия в замкнутой (изолированной) системе не изменяется (остается постоянной)

В 1918 г. Амалия Эмми Нетер установила связь между симметриями и законами сохранения.

Теорема Нетер: каждому виду симметрии должен соответствовать определенный закон сохранения:

- следствием однородности пространства является закон сохранения импульса

- следствием изотропности пространства является закон сохранения момента импульса

- следствием однородности времени является закон сохранения энергии.

8. Эволюция представлений о пространстве и времени

Материальные структуры (все, существующее во Вселенной, живое и неживое) определенным образом упорядочены. Существуют две формы описания упорядоченности материальных тел и процессов: пространственная и временная.

Сторонники субстанциональной концепции (Демокрит, Аристотель, Ньютон и др.) трактовали пространство и время как инвариантные самостоятельные сущности, существующие наряду с материей и независимо от нее. Поэтому, соотношение между пространством и временем, с одной стороны, и материей - с другой, представлялось как отношение между двумя самостоятельными субстанциями.

Демокрит: пространство ассоциируется с пустотой, в которой происходит вечное движение атомов, т.е. пространство - это «вместилище» тел

Аристотель, отрицая пустоту, делает вывод, что пространство - это совокупность мест, занимаемых телами; понятия «предыдущее» и «последующее» являются выражением изменения движения.

Таким образом, по Аристотелю:

- пространство определяется местом расположения тел

- время есть мера движения

Ньютон (механистическая картина мира) развил идеи Демокрита, Аристотеля и др. до четкого представления об абсолютном пространстве и абсолютном времени, независимых друг от друга и не связанных с материей. Пространство у него неизменно и неподвижно и, т.к. его свойства не зависят ни от чего, в том числе и от времени, то убрав из пространства все материальные тела, пространство останется и его свойства сохранятся. Время, по Ньютону, течет одинаково во всей Вселенной, и это течение не зависит ни от чего.

Ньютоновские представления о пространстве, времени и следствия из этих представлений:

- абсолютное пространство - это независимо существующее «вместилище» материальных тел

- абсолютное время - это независимое от материи «вместилище» событий

- относительное время задается последовательностью событий

- пространство однородное, изотропное, трехмерное и описывается геометрией Евклида

- пространственные размеры тел, в покоящихся и движущихся системах отсчета, остаются одинаковыми

- справедлив классический закон сложения скоростей (например: скорость человека, идущего по движущемуся вагону, для наблюдателя, находящегося на земле, складывается из скорости человека относительно вагона и скорости вагона относительно земли)

Концепция мирового эфира: вплоть до XX века в физике господствовало представление о невидимой субстанции («тонкой материи»), заполняющей мировое пространство - мировом эфире

Опыты Майкельсона - Морли, пытающихся обнаружить мировой эфир, заключались в измерении скорости света в направлениях по движению и перпендикулярно направлению движения Земли вокруг Солнца. Эти опыты показали:

- скорость света в различных направлениях есть величина постоянная (т.е. не зависит от движения источника света)

- нарушение классического закона сложения скоростей

- неверность гипотезы «мирового эфира». Эфира нет.

В современной картине мира понимание пространства и времени сформировано теорией относительности Эйнштейна:

- пространство и время неразрывно связаны между собой, т.е. составляют единое четырехмерное пространство-время (специальная теория относительности)

- вблизи тяготеющих масс (под действием сил гравитации) пространство-время «искривляется» и уже не является Евклидовым пространством (общая теория относительности)

- пространство и время имеют относительный характер: так результаты измерений длин объектов и интервалов времен зависит от того, в какой системе отсчета они измеряются

- отказ от идеи абсолютного пространства и времени, мирового эфира и других выделенных систем отсчета

- существует тесная взаимосвязь между пространством, временем, материей и ее движением

- убрав из пространства все материальные объекты - исчезает пространство и время.

9. Специальная теория относительности (СТО)

Создателями СТО являются: Лоренц, Пуанкаре, Эйнштейн. Представления СТО справедливы только для процессов, происходящих в инерциальных системах отсчета.

Принципу относительности Эйнштейна предшествовал принцип относительности Галилея, сформулированный только для механических процессов (т.е. только для классической механики - механики Ньютона).

Принцип относительности Галилея представим в двух эквивалентных формах:

- внутри равномерно движущейся лаборатории (системы отсчета) все механические процессы протекают так же, как и внутри покоящейся

- равномерное движение лаборатории (системы отсчета, связанной с телом отсчета - лабораторией) невозможно обнаружить никакими механическими опытами, проводимыми внутри нее

Поясним это принцип на следующем примере: если пассажир (наблюдатель) электрички (движущейся равномерно) уронил некий предмет (например, часы), то для него они упадут вертикально вниз, а для человека (наблюдателя), стоящего на земле, предмет будет падать по параболе, поскольку электричка движется, в то время как предмет падает. У каждого из наблюдателей своя система отсчета. Но, хотя описания событий, при переходе из одной системы отсчета в другую, меняются, есть универсальные вещи, остающиеся неизменными. Если вместо описания падения предмета задаться вопросом о природе закона, вызывающим его падение, то ответ на него будет один и тот же и для наблюдателя в неподвижной системе координат, и для наблюдателя в движущейся системе координат. Иными словами, в то время как описание событий зависит от наблюдателя, то законы механики (в дальнейшем Пуанкаре и Эйнштейн обобщили это на все физические законы) от него не зависят, т.е. являются инвариантными.

Принцип относительности (как в классической механике, так и в СТО) тесно связан с привилегированными системами отсчета, так называемыми инерциальными системами отсчета.

Инерциальными называются системы отсчета, относительно которых материальная точка (тело) без внешних воздействий (или если внешние воздействия компенсируются):

- покоится

- движется равномерно и прямолинейно

Всякая система отсчета, покоящаяся или движущаяся равномерно и прямолинейно относительно инерциальной системы отсчета, также является инерциальной (т.е. все инерциальные системы отсчета равноправны)

Исходные принципы классической механики базируются на формулах преобразования координат и времени так называемым преобразованием Галилея. Пользуясь этими преобразованиями, можно переводить рассмотрение движения какого-либо тела (частицы) из одной инерциальной системы отсчета в другую как, например, рассмотренный ранее пример с падением предмета в электричке.

Все законы классической механики инвариантны относительно перехода из одной инерциальной системы отсчета в другую, проводимого с помощью преобразований Галилея. Преобразования Галилея базируются на одинаковости (инвариантности) времени в различных инерциальных системах отсчета и классическом законе сложения скоростей.

Из преобразований Галилея (т.е. из классической механики) следует, что при переходе от одной системы отсчета к другой, неизменными (инвариантными) остаются:

- время

- размеры тела

- масса тела

Перейдем к специальной теории относительности. Основу СТО составляют два постулата (принципа) Эйнштейна:

Принцип относительности (первый постулат Эйнштейна, являющийся обобщением принципа Галилея на все физические процессы): все физические процессы во всех инерциальных системах отсчета протекают одинаково.

Сформулируем этот принцип и в другом эквивалентном виде: законы природы инвариантны во всех инерциальных системах отсчета.

Принцип инвариантности (постоянства) скорости света (второй постулат Эйнштейна): скорость света в вакууме постоянна во всех инерциальных системах отсчета и не зависит от движения источников и приемников света.

Постулат о постоянстве скорости света вызывает наибольшее непонимание, т.к. он находится в очевидном противоречии с классическим правилом сложения скоростей. То, что скорость света имеет такое необычное свойство, можно почувствовать при рассмотрении следующего мысленного эксперимента: пусть космонавт находится в космическом корабле, корабль удаляется от Земли с постоянной скоростью 200000 км/с, а наблюдатель на Земле направляет пучок света, распространяющийся со скоростью 300000 км/с, в сторону космического корабля. Свет, догоняя космический корабль, через маленькие дырочки проходит сквозь этот корабль и уходит далее в космос. Поскольку космонавт (вместе с кораблем) движется со скоростью 200000 км/с относительно Земли, то ему , на основании классического закона сложения скоростей должно было казаться, что относительно него свет распространяется со скоростью 300000 км/с - 200000 км/с = 100000 км/с. Но как следует из принципа постоянства скорости света, если действительно поставить такой эксперимент, то космонавту (т.е. наблюдатель в движущейся инерциальной системе отсчета) будет казаться, что свет распространяется, относительно него, со скоростью 300000 км/с. На основании этого же принципа и наблюдатель на Земле тоже будет считать, что свет распространяется относительно него тоже со скоростью 300000 км/с.

Эйнштейн понял, что единственное объяснение, позволяющее двум, движущимся относительно друг друга, наблюдателям получить одинаковые значения скорости света, заключается в том, что их восприятие времени и пространства неодинаково, что часы космического корабля идут не так, как на земле, одинаковые линейки у обоих наблюдателей имеют разные размеры и т.д. Т.е., на основании СТО, скорость света в космическом корабле равна 300000 космических километров в космическую секунду, а на Земле - 300000 земных километров в земную секунду. Вышеприведенный пример наглядно показывает, что если скорости других объектов относительны, так как зависят от скорости движения измеряющего наблюдателя, то скорость света не относительна - она абсолютна. Этот же пример показывает относительность времени и пространства. Скорость света соответствует максимально возможной в природе скорости передачи сигнала.

Принцип постоянства скорости света был впервые подтвержден в опытах Майкельсона-Морли. Сами авторы этим опытом пытались подтвердить или опровергнуть существование мирового эфира. Мировой эфир представлялся как механическая среда, (невидимая невесомая субстанция) передающая «толчок» действия от одной точки к другой, т.е. передающая волновой процесс распространения света. В экспериментах Майкельсона-Морли сравнивались скорости света при направлении луча света вдоль и поперек орбитального движения Земли. Разницы при этом обнаружено не было, что указывает на постоянство скорости света, независимо от того, в какой инерциальной системе отсчета рассматривается распространение света (для луча света, распространяющегося вдоль направления движения Земли, система отсчета подвижная, для распространяющегося поперек - неподвижная).

Из постулатов СТО следует, что пространственный интервал и временной интервал (длительность события) относительны, т.е. зависимы от движения наблюдателя. Однако объективность описания природы требует, чтобы изучаемое явление можно было характеризовать величинами, не зависящими от выбора системы отсчета. Инвариантной величиной в СТО является так называемый пространственно-временной интервал между событиями, включающий в себя временную и пространственные характеристики материальных процессов. Т.е. СТО делает мир четырехмерным: к трем пространственным измерениям добавляется время. Все четыре измерения неразрывны, поэтому речь идет уже не о пространственном расстоянии между объектами, как это имеет место в трехмерном мире, а о пространственно-временных интервалах между событиями, которые объединяют их удаленность друг от друга, как во времени, так и в пространстве. Т.е. пространство и время рассматриваются как четырехмерный пространственно-временной континуум, или попросту пространство-время. В этом континууме наблюдатели, движущиеся относительно друг друга, могут расходиться во мнении о том, произошли ли два события одновременно, или одно предшествовало другому, но пространственно-временной интервал для обоих наблюдателей будет одним и тем же.

В СТО показано, что нельзя передать воздействие (свет, информацию и т.д.) со скоростью, превышающей скорость света, а это делает невозможным нарушение причинно-следственных связей (т.к. именно передача воздействия со сверхсветовой скоростью привела бы к нарушению причинно-следственных связей). Ненарушимость причинно-следственных связей можно назвать инвариантностью причинно-следственных связей.

Из СТО следует и закон взаимосвязи энергии и массы: между полной энергией, изолированного от внешних воздействий, тела и его массой есть однозначная связь:

.

этот закон справедлив и для покоящегося тела:

,

показывая, что даже покоящиеся тела имеют очень большую энергию, включающую энергию взаимодействий и теплового движения атомов и молекул, энергию ядерного взаимодействия и др. энергии. Этот закон показывает: какие бы взаимные превращения разных видов материи не происходили, изменение энергии в системе соответствует эквивалентному изменению массы. Т.е. энергия и масса являются двумя, однозначно связанными, характеристиками материи. Этот закон раскрывает источник энергии, используемой ядерной энергетикой. Масса продуктов радиоактивного распада, протекающего в ядерном реакторе, меньше массы исходного вещества. Разность масс исходной и конечной (называемой дефектом массы), помноженная на квадрат скорости света (), показывает энергию, производящуюся в ядерных реакторах.

Переход из одной инерциальной системы отсчета в другую, в СТО, осуществляется при помощи преобразований Лоренца.

Из преобразований Лоренца (т.е. из СТО) следует, что при увеличении скорости подвижной инерциальной системы отсчета относительно неподвижной:

- длина отрезка в направлении движения уменьшается относительно отрезка в неподвижной системе

- ход времени в подвижной системе, относительно времени в неподвижной системе отсчета, замедляется

Приведенные выше следствия объясняют, рассмотренный нами ранее, мысленный эксперимент: космонавт, определяя скорость света, делит свои маленькие километры на маленькие секунды и получает тот же результат, что и земной наблюдатель, который делит большие километры на большие секунды.

Следствиями СТО является относительный характер:

- расстояний (длины отрезка), т.е. пространства

- одновременности событий, т.е. времени

- массы тела

Следствиями СТО являются:

- пространство и время существуют как единая четырехмерная структура пространство-время и описывается евклидовой геометрией

- эквивалентность массы и энергии

- с увеличением скорости движения тела отсчета темп времени на нем замедляется

- с увеличением скорости движения тела его линейный размер уменьшается

- с увеличением скорости движения тела его масса возрастает

- когда скорость тела приближается к скорости света, его линейный размер стремится к нулю, а масса тела стремится к бесконечно большой

- инвариантность (неизменность) пространственно-временного интервала между событиями

- инвариантность причинно-следственных связей

Соответствие СТО и классической механики: их предсказания совпадают при малых скоростях движения (гораздо меньших скорости света).

Приложение СТО к описанию механических процессов, в которых скорости тел сопоставимы со скоростью света, называется релятивистской механикой.

10. Общая теория относительности (ОТО)

ОТО создана Альбертом Эйнштейном (1915г.). В ОТО (ее еще называют теорией тяготения) Эйнштейн расширяет принцип относительности, распространяя его на неинерциальные системы отсчета.

Одним из основных принципов СТО является принцип эквивалентности:

- масса инертная и масса гравитационная равны между собой (это положение, которое является следствием, впервые найденного Галилеем равенства ускорений, свободно падающих тел, независимо от их масс и состава, было неоднократно подтверждено экспериментально)

- равенство инертной и гравитационной масс позволило Эйнштейну сформулировать основные положения принципа эквивалентности: не существует эксперимента, с помощью которого можно было бы отличить действие на пробное тело, ускоренного движения тела отсчета по отношению к «неподвижным» звездам, от состояния покоя пробного тела в гравитационном поле.

Существует множество вариантов изложения этого принципа. Приведем, часто используемую, но не совсем точную формулировку принципа эквивалентности:

- невозможно отличить движение тел под действием силы тяжести от движения под действием сил инерции.

В этой формулировке учитывается, что сила инерции (фиктивная сила) равна, взятому с обратным знаком, произведению массы пробного тела на ускорение тела отсчета, по сути дела, полностью определяется ускорением тела отсчета, т.е. делает обе формулировки равноправными (что не совсем правильно).

Далее Эйнштейн постулирует, что гравитационные эффекты обусловлены не силовым взаимодействием тел (как в механике Ньютона) и полей, находящихся в четырехмерном пространстве-времени, а деформацией («искривлением») упругой ткани пространства-времени под воздействием массы и энергии, присутствующей в ней материи. При этом, чем тяжелее (массивнее) тело, тем сильнее пространство-время «прогибается» под ним, и тем, соответственно, сильнее гравитационное поле. Масса тела, искривляя пространство-время, делает кратчайшее расстояние между двумя точками четырехмерного пространства не прямолинейным отрезком, а отрезком кривой (называемой геодезической линией) по которой и движется пробное тело в гравитационном поле. Согласно этому положению (т.е. ОТО) Земля обращается вокруг Солнца подобно маленькому шарику, пущенному кататься по геодезической линии вокруг конуса воронки, образованной в результате «продавливания» четырехмерного пространства-времени тяжелым шаром - Солнцем. То, что нам кажется силой тяжести, в ОТО является по сути чисто внешним проявлением искривления пространства-времени, а вовсе не силой в ньютоновском понимании.

...