Современные научные теории: Макромир

Размещено на http://www.allbest.ru/

Казахский Национальный университет имени аль-Фараби

Высшая школа Экономики и бизнеса

СРС

"Современные научные теории: Макромир"

Выполнила: Жилкибаева А.Ж

УиА13Р1

Алматы, 2015г.

В изучении природы можно различать два этапа: донаучный и научный этапы. природа научный материя гейзенберг

Донаучный или натурфилософский этап охватывает период начиная от античного периода до установления экспериментального естествознания XVI-XVII века. Представления о природе в этот период носили чисто натурфилософский характер, наблюдаемые природные явления объяснялись на основе смонтированных умственным путем философских принципов. Самым большим достижением естествознания в этот период явилась, считавшаяся дискретивной концепцией строения материи, учение античного атомизма. Согласно этому учению, все тела формируются из считающихся самыми маленькими частицами материи атомов. Согласно античному атомизму предоставившему первичную теоретическую модель атома, атомы являются невидимыми, неделимыми и непроницаемыми микрочастицами, отличаются друг от друга только количественными отношениями - формой, размерами, строем.

Однако лишь в 1905 году Эйнштейн математическим путем доказал существование атомов. Спустя несколько лет Эрнест Резерфорд стал первым, кто заглянул внутрь атомов в рамках эксперимента, в котором он бомбардировал альфа-частицами тонкий золотой лист. Он обнаружил, что каждый атом состоит из крошечного, положительно заряженного ядра, окруженного пустым пространством, в ко- тором вокруг ядра вращаются еще более крошечные отрицательно заряженные электроны.

Античный атомизм, который объяснял целое как механическую совокупность формирующих его частей, явился первой теоретической программой. Атомизм объяснял сущность протекания природных процессов механическим взаимовлиянием атомов, их притяжением и отталкиванием.

Механическая программа объяснения природы, впервые выдвинутая в античном атомизме, реализовалась в классической механике, положившей начало изучению природы научным способом.

Современные научные представления о структурных уровнях формирования материи следует начинать с концепции классической физики об изучении микромира, которая зародилась в результате критического исследования представлений классической механики, которые применяются только в микромире.

Формирование научных представлений о строении материи относится к XVI веку, к периоду заложения Г.Галилеем основы механической картины мира. Галилей не только обосновал гелиоцентрическую систему Н.Коперника, открыл законы инерции движения и свободного падения, он также разработал новый методологический способ описания природы - научно-теоретический метод. Сущность этого метода заключается в том, что, отобрав целый ряд физических и геометрических характеристик природы, Галилей превратил их в предмет научного исследования. Отбор отдельных характеристик объекта предоставил возможность созданию теоретических моделей и проверке их на основе научного эксперимента. Сформулированная Галилеем методологическая концепция сыграла решающую роль в утверждении классического естествознания.

Опираясь на исследования Галилея, И.Ньютон разработал механическую научную теорию движения земных и небесных тел по одним и тем же законам, рассматривая природу как сложную систему. Разработки Ньютона и его последователей послужили основой для создания дискретной (корпускулярной) модели реальности в рамках механической картины мира. Здесь материя рассматривается как материальная субстанция, сформированная из отдельных атомов или корпускуляров, свойства массы и веса приписываются неделимым, неизменным, непроникновенным атомам.

Ньютон сформулировал важную характеристику мира - трехмерное пространство, находящееся в обязательно неизменном и долговечном покое эвклидовой геометрии. Это пространство однородно и изотропно. Причина однородности пространства заключалась в неизменности геометрических свойств во всех точках, причиной изотропности - неизменность этих свойств во всех направлениях. Ньютон, отделив время от материальных процессов, также абсолютизировал его и отождествлял его с одной из метрических характеристик времени - продолжительностью. Во взглядах Ньютона единомерное абсолютное время, описываемое, как равноскоростное течение нематериальной субстанции от прошлого к настоящему, обладает беспрерывной структурой, однородно, изотропно, бесконечно и универсально. Ньютон объяснял однородность времени ковариантивностью законов движения относительно превращений Галилея, изотропность - ковариантивностью законов движения относительно временной инверсии.

Ньютон рассматривал движение как перемещение в пространстве, происходящем по всей протяженности беспрерывной траектории на основе законов механики, и выдвинул предположение о том, что физические процессы могут соотноситься с перемещением под влиянием сил притяжения, считающихся силами влияния на дальние расстояния, которые присущи материальным точкам.

Французский ученый и философ Р.Декарт, выступая со своей дуалистической концепцией об отношении материи и мышления, обосновывал механическое объяснение природы философской стороной и показал, что можно объективно объяснить мир, не принимая во внимание человека-наблюдателя. Звучащая в такт с ньютоновскими взглядами эта вера сыграла большую роль в направленности развития естественных наук в дальнейшем.

Одной из сложнейших теорий ХХ века является Квантовая механика, которая стала основой для развития других современных научных теорий. Один из отцов-основателей квантовой теории, Нильс Бор, однажды сказал: «Если квантовая механика вас не поразила, значит, вы ее не поняли!»

Эта идея была впервые разработана в начале XX века германским физиком Максом План- ком, который предположил, что энергия поступает крошечными фрагментами, называемыми «квант». В 1920-е годы работу над этой теорией продолжили Альберт Эйнштейн, Нильс Бор, Поль Дирак и Вернер Гейзенберг. Однако, несмотря на огромный успех, квантовая механика остается под покровом тайны, поскольку, в отличие от остальных научных теорий, никто точно не знает, как и почему она работает. Она дает некоторые прогнозы касательно микроскопического мира, и они полностью противоречат здравому смыслу. Например, она объясняет, как атом может существовать одновременно более чем в одном месте, пока мы не проверим, где именно он находится. Она также утверждает, что электрон может одновременно вращаться как по часовой стрелке, так и против нее, пока мы это не измерим.

Квантовая механика, вероятно, единственная наиболее важная теория в физике. Несмотря на то что нам трудно понять ее суть, именно ей мы обязаны почти всей современной технологией. Она описывает, как атомы объединяются в молекулы, как работают полупроводники, как функционирует лазер. Без квантовой механики у нас не было бы компьютеров, MP3-плееров, мобильных телефонов и жизненно необходимых лекарств и еще очень многого.

Принцип неопределенности Гейзенберга -- это теория о том, как ведут себя квантовые объекты, такие как атомы и более мелкие частицы внутри атомов. Принцип был разработан в 1927 году Вернером Гейзенбергом и назван в его честь. Согласно данному принципу, нельзя никогда точно узнать, где расположен электрон, хотя в то же время точно известно, с какой скоростью он движется. И то и другое качество -- его скорость или положение -- в сущности можно измерить бесконечно точно, если пожертвовать значением другого качества. И дело не в недостатке понимания того, как устроена природа и не в мельчайшем размере электрона, а в том, что просто электроны таковы. Сам электрон не обладает точно определенным положением и скоростью. Лучшее, что мы можем сделать, -- это определить область, в которой с наибольшей вероятностью движется данный электрон. Принцип неопределенности также затрагивает такие понятия, как энергия и время. Можно измерить точную энергию частицы, если только не задаваться вопросом, в какой момент времени она обладает этой энергией. И наоборот, если точно определить время измерения, никогда не узнать, каким количеством энергии она обладает.

Часто люди ошибочно полагают, что принцип неопределенности подразумевает, что приборы, с помощью которых мы исследуем субатомный мир, грубы и неточны. На самом деле это очень мощная теория о поведении природы в крошечных масштабах, и у нее есть масса важных последствий. Например, без нее не светило бы Солнце, поскольку именно благодаря ей ядра водорода способны соединяться и производить свет и тепло.

В середине 1930-х годов австрийский физик Эрвин Шрёдингер предложил мыслительный эксперимент, чтобы показать, насколько безумна квантовая механика. Он предложил взять коробку и поместить в нее кота, немного смертельного яда и источник радиоактивного излучения. Согласно квантовой механике, нельзя точно сказать, не проверив, распался ли радиоактивный атом в пределах заданного времени, так что он должен быть описан как распавшийся атом, и как не распавшийся. Только после проверки можно заставить его быть либо тем, либо другим. Внутри коробки Шрёдингера эксперимент устроен так, что любой распавшийся атом выделил бы частицу, запускающую высвобождение яда и убивающую кота. Поскольку кот, по словам Шрёдингера, также состоит из атомов (хотя и триллионов атомов), он тоже предположительно подвластен законам квантовой меха- ники. Так что пока коробка не открыта, кота нужно описывать и как мертвого, и как живого. Только когда коробка откроется, определяется все находящееся внутри нее как пребывающее в одном из этих состояний.

Шрёдингер считал, что в квантовой механике допущена ошибка, ведь нельзя наблюдать кошек, которые одновременно и живы, и мертвы. Поскольку атомы могут выполнять две вещи одновременно, а кот состоит из атомов, он может быть и мертвым, и живым одновременно. Квантовая механика ничего не говорит о том, как чувствует себя кот, пока этого не проверено. Она только позволяет вычислить вероятность того, будет ли несчастное животное мертвым или живым, когда коробка откроется. Данная теория получила название Кот Шрёдингера.

Более точной по сравнению с предыдущей теорией, основанная также на квантовой механике является Квантовая теория поля.

«Полем» в физике называют область пространства, в которой проявляется некоторое физическое влияние на тела. Примеры этого -- гравитационные и магнитные поля. Следовательно, теория поля описывает то, как ведут себя эти поля и как тела взаимодействуют с полями, в которых находятся. В конце 1920-х годов один из основателей квантовой механики, Поль Дирак, опубликовал несколько статей, показывающих, что квантовую теорию можно объединить с теорией электромагнитного поля Джеймса Клерка Максвелла, а также с теорией относительности Эйнштейна. Он создал первую «квантованную» теорию поля, которая описывала взаимодействие электронов и фотонов, частиц света. В 1949 году несколько физиков, в том числе великий Ричард Фейнман, создали квантовую электродинамику. Позднее эту теорию использовали для объединения электромагнитной силы с другой из четырех сил природы, слабым взаимодействием. Эта разработка стала известна под названием теории электрослабых взаимодействий. Отдельная квантовая теория поля, известная как квантовая хромодинамика, была создана для описания сильных взаимодействий. Только четвертой и последней силе природы -- силе тяготения -- до сих пор удается противостоять попыткам стать квантованной.

Все на свете можно подробно объяснить с помощью квантовой теории поля: все состоит из атомов, которые соединяются благодаря взаимодействию их электронов. Эти взаимодействия вызваны действующей между ними электромагнитной силой, которая, в свою очередь, является не чем иным, как обменом фотонов. Таким образом, можно сказать, что квантовая теория поля поддерживает большую часть физики, всю химию, а также всю биологию.

В отличие от Квантовой теории поля, Квантовая запутанность не столь ясна и понятна. Суть данной теории состоит в том, что когда два квантовых объекта, такие как электроны или фотоны, вступают в контакт, их квантовые состояния (математическая информация, описывающая их качества) соединяются или переплетаются. В квантовом мире тела способны проявлять два или более несовместимых качества одновременно, например вращение в противоположных направлениях в одно и то же время. Это называется «наложением». Скажем, если один фотон переплетен с другим, он может «заразить» его своим наложением, так что оба окажутся в наложении. Однако, посмотрев на одного из них, мы заставляет фотон решить, по какому пути он будет двигаться. Но поскольку он переплетен со своим партнером, это заставляет и другой фотон сделать такой же выбор. Это произойдет мгновенно, даже если теперь два фотона разделяют миллионы миль.

Попытка описать в единой теории работу всех четырех основных сил природы и отношения между всеми элементарными частицами дала основу для Единой теории поля (Объединение). В физике силы могут характеризоваться полями, которые передают взаимодействия между частицами. Они известны как теории поля. Так, в 1915 году Альберт Эйнштейн разработал общую теорию относительности, теорию поля силы тяжести. На субатомных расстояниях поля характеризуются квантовыми теориями поля, которые применяют идеи квантовой механики к основным полям, связанными с другими тремя силами: электромагнитной силой и сильным и слабым взаимодействиями. Сейчас цель ученых -- понять, можно ли квантовую хромодинамику, теорию поля сильных взаимодействий, объединить с теорией электрослабых взаимодействий, которая описывает электромагнитную силу и слабые взаимодействия. Результатом этого станет так называемая теория великого объединения. Однако успешная теория великого объединения все еще не будет включать в себя силу тяготения. Проблема в том, что физики до сих пор не знают, как сформулировать реальную квантовую теорию поля из теории тяготения. Одним возможным кандидатом на такую «теорию всего» является так называемая теория струн, но еще далеко до понимания того, верна она или нет.

Физики работали над теорией объединения почти 100 лет. Эйнштейн последние 30 лет своей жизни пытался объединить силу тяжести с электромагнетизмом, даже до того, как были открыты две ядерные силы, но безуспешно. Точно известно лишь одно: для того чтобы объединить силы, нужна теория с более чем четырьмя измерениями. Вот почему для теории струн, одной из главных претендентов на унификацию, требуется десять измерений -- девять измерений пространства и одно измерение времени.

Лично для меня, данные теории дали больше вопросов нежели ответов. Физика относится к естественным, точным наукам, но не смотря на это, в данных теориях нет определённого, подытоженного вывода. Мне кажется, что вышеуказанные физические теории задают философические вопросы относительно устройства макромира.

Во Вселенной все связано. Это легко сказать, но вот понять, как это доказать -- очень трудно. Уместно ли здесь понятие относительности?

Размещено на Allbest.ru