Характеристика основных концепций развития естественнонаучных дисциплин

Размещено на http://www.allbest.ru

Размещено на http://www.allbest.ru

1. Введение в курс «Концепции современного естествознания»

Требования образовательных стандартов по дисциплине КСЕ.

Естественнонаучная и гуманитарная культуры; научный метод; история естествознания; панорама современного естествознания; тенденции развития: корпускулярная и континуальная концепции описания природы; порядок и беспорядок в природу: хаос; структурные уровни организации материи; микро-, макро- и мега-миры; пространство, время; принципы относительности; принципы симметрии; законы сохранения; взаимодействие; близкодействие, дальнодействие; состояние; принципы суперпозиции, неопределенности, дополнительности; динамические и статические закономерности в природе: законы сохранения энергии в макроскопических процессах: принцип возрастания энтропии; химические процессы, реакционная способность веществ; внутреннее строение и история геологического развития Земли; современная концепция развития геосферных оболочек; литосфера как абиотическая основа жизни; экологические функции литосферы: ресурсная, геодинамическая, геофизико-геохимическая; географическая оболочка Земли; особенности биологического уровня организации материи: принципы эволюции, воспроизводства и развития живых систем; многообразие живых организмов - основа организации и устойчивости биосферы; генетика и эволюция; человек: физиология, здоровье, эмоции, творчество, работоспособность: биоэтика, человек, биосфера и космические циклы: ноосфера, необратимость времени, самоорганизация в живой и неживой природе; принципы универсального эволюционизма; путь к единой культуре.

Цели и задачи дисциплины.

Дисциплина «Концепции современного естествознания» имеет целью ознакомление студентов, обучающихся по экономическим, правовым и другим не инженерным специальностям, с естествознанием как системой наук о природе и формирование на этой основе целостного взгляда на окружающий мир.

Эта дисциплина относится к блоку естественнонаучных дисциплин. Она посвящена изучению методологии науки и основных естественнонаучных концепций, лежащих в основе современной научной картины мира и включает в себя разделы, изучающие историю естествознаний, а также современные представления о структуре и свойствах материи в различных масштабах (микро-, макро-, мега-), эволюции жизни, человека, Вселенной.

Цель дисциплины - формирование научного мировоззрения, представления о современной картине мира, освоение основных приемов и методов познавательной деятельности, необходимых современному квалифицированному специалисту.

Основные задачи курса:

- формирование понимания необходимости воссоединения гуманитарной и естественнонаучной культур на основе целостного взгляда на мир;

- изучение и понимание сущности фундаментальных законов природы, составляющих каркас современных физики, химии и биологии;

- формирование ясного представления о физической картине мира как основе целостности и многообразия природы - от квантовой и статистической физики и химии и молекулярной биологии, от неживых систем к клеткам, живым организмам, человеку, биосфере и обществу;

- формирование представлений о революциях в естествознании и смене научных парадигм как ключевых этапах развития естествознания.

Требования к уровню освоения содержания дисциплины.

Согласно Государственному образовательному стандарту в результате изучения дисциплины КСЕ студенты должны приобрести знания:

- о методологии науки;

- о научных концепциях, общепринятых в современной науке;

- об истории основных естественнонаучных открытий и новейших открытиях в этой отрасли науки;

- об использовании естественнонаучных достижений в современной технике и технологии;

- о фундаментальном единстве всех естественных наук и роли естествознания в современной культуре.

В ходе изучения дисциплины КСЕ у студента должны быть сформированы умения использовать:

- фундаментальные понятия, законы и модели классической и современной науки для интерпретации явлений природы в различных масштабах;

- методы теоретического и экспериментального исследований;

- методы оценки достоверности результатов и точности измерений;

- приемы оценки численных порядков величин, характерных для естествознания.

Для освоения дисциплины КСЕ будет прочитано 17 лекций и проведено 17 практических занятий. Кроме этого будут проведены аудиторные и домашние контрольные работы, а по ряду тем выполнены рефераты и проведено тестирование.

Принцип формирования рейтинговой оценки. Он традиционен.

Для оценки аудиторной и самостоятельной работы студентов в семестре установлены три контрольных срока. Они объявлены деканатом.

Общее количество баллов, которые может набрать студент - 100 баллов.

Посещение лекций и практических занятий - 34 балла. Отсутствие на лекции или практическом занятии - минус 2 балла. Каждая контрольная работа и тест будут иметь свое количество баллов, которые определяет преподаватель.

Для допуска до экзамена или дифференцированного зачета студент должен в семестре набрать не менее 50 баллов. Студенты, набравшие более 60 баллов и выполнившие все необходимые контрольные работы, и сдавшие тесты на положительные оценки могут рассчитывать на оценку автоматом. При этом устанавливается следующее соотношение между баллами и оценками: более 86 баллов - отлично (86 баллов пограничное количество баллов - оценка на усмотрение преподавателя); 71 - 85 баллов - хорошо; 60-70 баллов - удовлетворительно.

Структура современного естествознания.

На первой лекции предполагается дать определение терминов (глоссарий), а затем расшифровывать эти понятия. Начнем с естествознания.

Естествознание - система наук о природе, включающая естественную, техногенную и информационную среду. При этом созданная в ходе развития цивилизации среда называется техногенной.

Возникло понятие «наука». Наука - составляющая культуры, система знаний, сформированная на рациональной методологической основе.

Основу структуры современного естествознания составляют пять естественнонаучных отраслей, изучающих природу на качественно различных уровнях ее организации. Отрасль представляет собой систему наук - фундаментальных и прикладных, исследующих определенные формы движения материи. При этом фундаментальные науки имеют основной целью получение знаний, а прикладные - возможности применения знаний.

Под формой движения подразумевается специфический способ существования материального объекта - субстрата (носителя) этой формы. Каждая форма охватывает достаточно широкую область явлений, которые обладают качественным единством и подчиняются общим законам.

Первый самый низкий уровень организации природы - физические системы, т.е. физические объекты разного масштаба от элементарных частиц до Вселенной. Они являются субстратами физической формы движения материи. Отрасль, изучающая материю на этом уровне, - физика. В нее входят фундаментальные (механика, квантовая механика, термодинамика, электродинамика, оптика, кристаллофизика, астрофизика, космология и др.) и прикладные (прикладная механика, электротехника, теплотехника, гидравлика, астронавтика и др.) науки.

Второй уровень организации - химические системы, т.е. системы молекул разной сложности (от простых неорганических соединений до сложнейших по составу и структуре органических полимеров и биополимеров). На этом уровне реализуется химическая форма движения материи. Соответствующая отрасль наук - химия. Она также включает фундаментальные (неорганическая, органическая химия и др.) и прикладные (аналитическая, коллоидная химия и др.) науки. Кроме этого, имеются науки, объединяющие физические и химические формы движения материи (физическая химия, химическая физика и др.).

Третий уровень - геологические системы, планета Земля. Форма движения - геологическая. Отрасль наук - геология. Здесь также имеют место фундаментальные науки (тектоника, геодинамика) и прикладные (геокриология, разведка месторождений полезных ископаемых и др.).

Четвертый уровень - живые биологические системы. Форма движения - биологическая. Отрасль наук - биология. Примеры фундаментальных наук в этой отрасли - ботаника, зоология, анатомия, цитология, физиология; прикладные - медицинская биология, ветеринария и др. Имеются смежные науки: биофизика, биохимия, рудная микробиология и др.

Пятый уровень - разумные или психологические системы, организация высшей нервной деятельности. Форма движения материи - психологическая. Отрасль естествознания - психология. Это молодая отрасль, формирование которой началось в конце XIХ века.

Вне сферы естественнонаучных отраслей находится самый высокий уровень организации - социальный. Ему соответствует социальная форма движения материи. Она реализуется в социальных системах, включающих в себя не только собственно общество, но и геобиологическую среду, в которой оно развивается. Следовательно, граница между естественнонаучной и социальной гуманитарной научной сферой условна. Поэтому естествознание открытая система, связанная с другой открытой системой - гуманитарными науками (социологией, историей, теоретической экономикой и др.).

Отрасли естествознания связаны разветвленной сетью смежных наук: фундаментальных (физхимия, биофизика, биохимия. Геофизика, геохимия, биогеохимия и др.) и прикладных (почвоведение, агрономия, материаловедение и др.).

Все науки, входящие в естествознание, излагаются на «языках науки», которые также являются отраслями наук: логика, математика, информатика.

В настоящее время формируются науки, изучающие системы и системность на любом уровне организации природы, при любой форме движения материи - от физической до социальной. Это кибернетика, термодинамика сильно неравновесных систем, синергетика. Синергетика - наука о сложных самоорганизующихся системах, например, экосистема, геотехническая система и т.д.

Методология естествознания.

Естествознание опирается на рациональные методы познания. Эти методы реализуются на двух основных уровнях познания: эмпирическом и теоретическом.

На эмпирическом уровне используются следующие формы. Исходная форма знания - факты. Пути накопления фактов: наблюдение и эксперимент. Наблюдение - метод эмпирического познания, представляющий собой чувственное отражение предметов и явлений, не вносящее изменение в наблюдаемую реальность. Эксперимент - метод познания, при помощи которого явление исследуется в контролируемых и управляемых условиях для выявления факторов, на него влияющих. В ходе наблюдения и эксперимента осуществляется измерение - процесс определения количественных значений тех или иных свойств, сторон объекта с помощью специальных устройств, приборов. При измерении определяется та или иная физическая величина. Основное требование к результатам измерения - достоверность. Она непосредственно связана с воспроизводимостью эффекта или параметров, его описывающих. Последнее оценивается вычислением точности измерения. Закономерности и экспериментальные зависимости - взаимосвязи факторов, величин, выявленные в ходе наблюдения и экспериментов.

На теоретическом уровне осуществляется осмысление экспериментальных материалов на основе методов логического мышления:

- анализа (разделение объекта на составляющие части с целью их отдельного изучения) и синтеза (соединение составных частей в целое);

- индукции (умозаключение от частного к общему, от фактов к гипотезе) и дедукции (вывод по правилам логики частного из общего);

- абстрагирования (мысленное отвлечение от тех или иных менее существенных свойств, сторон, признаков изучаемого объекта с одновременным выделением более существенных) и конкретизации (учет особенностей предмета);

- идеализации (мысленное внесение определенных изменений в изучаемый объект в соответствии с целями исследований) и моделирования (изучение объекта, базирующееся на соответствии некоторой части его свойств построенной копии);

- формализации (использование специальной символики, позволяющей отвлечься от изучения реальных объектов и оперировать вместо этого множеством символов).

Теоретический уровень включает в себя следующие формы знаний.

Закон - выражение объективной связи явлений и величин, их описывающих. Законы классифицируются:

- по области применения - фундаментальные (закон сохранения энергии) и частные (закон Ома);

- по конструкции - количественные (первый закон Ньютона) и качественные (законы эволюции биосферы, второй закон термодинамики);

- по характеру объекта - динамические, в которых превалирует необходимость и с помощью которых по известным начальным параметрам состояния конкретного объекта можно точно определить его состояние в любой момент времени (например, второй закон Ньютона), и статистические, в которых случайность является формой проявления необходимости и которые позволяют по заданным с некоторой вероятностью начальным параметрам состояния конкретного объекта определить его состояние в любой момент времени с некоторой вероятностью (например, закон радиоактивного распада).

Постулаты и аксиомы - недоказываемые утверждения, которые, как правило, лежат в основе теории.

Принципы - положения, также лежащие в основе теории.

Гипотезы - предположительные, недостаточно обоснованные положения и утверждения.

Модель - упрощенный образ (копия) реального объекта; исходные положения для создания моделей нередко формируются в виде постулатов. На основе рассмотрения поведения моделей выводятся эмпирически проверяемые следствия; часто используются мысленные эксперименты, в которых проигрываются возможные варианты поведения моделей; развитие этого метода - математическое и компьютерное моделирование. Модели бывают вербальные - на основе понятий и символов, и невербальные - на основе ассоциаций и образов.

Теория - система знаний, описывающая определенную область взаимосвязанных явлений. Теория может строиться на основе эмпирических зависимостей, постулатов и принципов. Она не появляется как прямое обобщение опытных фактов, а возникает в сложном взаимоотношении теоретического мышления и эмпирического знания. Теория должна удовлетворять следующим требованиям: непротиворечивость, соответствие эмпирическим данным, возможность описать известные явления, возможность предсказать новые явления. Как и законы, которые она объединяет, теория имеет область применения, границы которой должны быть оговорены. В ходе развития науки может возникнуть новая теория, описывающая тот же круг явлений, что и прежняя, причем такая, что обе удовлетворяют приведенным выше требованиям. Тогда согласно принципу соответствия новая теория является обобщением предшествующей, имеет более широкую область применения и включает прежнюю как частный случай.

Концепция (conceptio - понимание) - система взаимосвязанных и вытекающих один из другого взглядов на те или иные явления, процессы; способ понимания, трактовки событий, явлений; основополагающая идея, лежащая в основе теории или из нее вытекающая.

Парадигма (paradeigma - пример, образец) - концептуальная схема, совокупность концепций, господствующая в научном сообществе в течение определенного времени, дающая модель постановки проблем и их решения. Схема парадигм представляет собой научную революцию.

Научная картина мира - обобщенное представление обо всех явлениях природы, сформированное в рамках существующей парадигмы. В формировании научной картины мира существенную роль играет принцип историзма - подход к действительности как закономерно развивающейся во времени.

История естествознания.

В истории человечества можно выделить четыре технологические революции, которые тесно связаны с научными. Слово «технология» объединяет два понятия: «techne» - искусство, ремесло, техника и «logos» - учение, наука. Таким образом, слово «технология» означает учение или наука о способах и средствах переработки вещества и энергии.

Само возникновение науки можно назвать первой научной революцией. Научная революция - радикальное изменение стиля мышления, формирование новых областей знаний, новой парадигмы, а на ее основе - новая научная картина мира, возникновение новых тенденций и направлений в развитии науки. Каждой научной революции предшествует кардинальная смена исторических условий.

Первая технологическая революция - аграрная - произошла 10 тыс.лет назад в античную эпоху. Она обусловлена появлением орудий труда, когда человек перестал быть кочевником и перешел от присваивающей формы ведения хозяйства к производящей, связанной с развитием земледелия и скотоводства. Первобытнообщинный строй закончил существование. Матриархат был заменен на патриархат.

Вторая - промышленная - началась в XV и завершилась в XVIII веке. Она связана с появлением техники и соответствующей индустриализацией производства.

Третья - научно-техническая - произошла в конце XIX - начале ХХ века; заключалась в слиянии науки, техники, производства, развитии электрификации, химизации и автоматизации производств и внедрении новых средств связи (радио, телеграф, телефон).

Четвертая - информационная - произошла во второй половине ХХ века; заключается во внедрении телекоммуникаций и компьютеров.

2. Пространство, время, движение

Пространство и время.

С точки зрения материалистической науки материя, пространство, время и движение неотделимы друг от друга.

Материя - объективная реальность, существующая вне и независимо от нашего сознания, данная нам в ощущениях (получаемых с помощью органов чувств и их «продолжений» - приборов) - существует в движении, которое происходит в пространстве и во времени. Движение, пространство, время - неразрывные формы существования материи. Тем не менее в рамках классической концепции каждая из этих категорий рассматривается отдельно и имеет свои свойства

Пространство - характеризует относительное расположение и «протяженность» объектов. Классическая механика характеризует его следующими свойствами: однородность (все его точки эквивалентны); непрерывность (между двумя любыми сколь угодно близкими точками можно поместить третью); изотропность (все направления в пространстве эквивалентны); трехмерность; евклидовость (в основе его описания лежит геометрия Евклида).

Время - характеризует «длительность» и последовательность событий. Время однородно, непрерывно, одномерно, последовательно, анизотропно (существует строгая направленность, «стрела» времени, прошлое и будущее абсолютны).

Положение объекта в пространстве и во времени описывается четырьмя координатами - тремя пространственными и одной временной. Однако, пространство и время не образуют единого целого, каждое отдельная категория, причем абсолютная, т.е. не зависящая от системы отсчета. Абсолютность пространственных и временных интервалов - одно из основополагающих положений классической механики.

Механическая форма движения материи. Основы классической механики.

Движение - основное свойство материи, включающее в себя любое изменение.

Рассматривают различные формы движения: физические, биологические, социальные и др. Носителями их являются различные материальные образования. Простейшая форма - механическое движение - свойственна любым материальным объектам. Это - изменение положения в пространстве с течением времени.

Изучение механического движения осуществляется на основе двух подходов: кинематического (кинематики), описывающего движение без анализа причин его вызывающих, и динамического (динамики), исследующей причины данного вида движения.

Рис. 2.1

Основные кинематические характеристики движения некоторой точки: радиус-вектор () - вектор, определяющий положение объекта (материальной точки) в системе координат (рис. 1):

; (2.1)

перемещение - изменение радиуса-вектора (); скорость - векторная величина, мера быстроты движения, численно равная производной от радиуса-вектора по времени:

; (2.2)

ускорение - векторная величина, мера быстроты изменения скорости, в простейшем случае равная отношению изменения скорости ко времени изменения:

; (2.3)

Фундаментальным свойством движения является его относительность. Она выражается в том, что для его параметры зависят от выбора системы отсчета: связанной с телом отсчета системы координат и выбранного способа измерения времени. Таким образом, положение объекта (координаты), скорость, вид траектории зависят от того, в какой системе отсчета они рассматриваются. Согласно сформулированному Галилеем принципу инерции существуют системы отсчета, в которых тела движутся без ускорения (равномерно и прямолинейно) при отсутствии действия других тел. Такие системы отсчета называются инерциальными. Начало координат этих систем связано с телом, свободным от действия других тел. Инерциальные системы отсчета - идеализация. Если масштаб движения намного меньше размеров Земли, геоцентрическая система может считаться инерциальной. С большим основанием таковой считается гелиоцентрическая система отсчета, еще ближе к инерциальной система, связанная с удаленными звездами. Для инерциальных систем отсчета справедлив принцип относительности Галилея: никакими механическими опытами, роизводящимися в какой-либо инерциальной системе отсчета, нельзя определить, покоится ли данная система или движется равномерно и прямолинейно. Другими словами, все инерциальные системы отсчета в отношении механических явлений физически равноправны, законы механики в них имеют одинаковую форму (абсолютны).

Относительность скорости обусловливает классический закон сложения скоростей (при переходе из одной системы отсчета в другую): скорость тела в любой системе отсчета определяется векторной суммой скоростей:

; (2.4)

здесь - скорость тела в одной системе отсчета (покоящейся), - скорость в другой системе (движущейся), - скорость движущейся системы относительно покоящейся.

Динамическое описание выявляет причину изменения механического движения - взаимодействие тел, которое количественно измеряется вектором силы . Подробнее о взаимодействии речь пойдет ниже. Другие важнейшие динамические характеристики, определяющие механическое движение: масса m - скалярная величина, мера инертности тел (инертность - способность препятствовать изменению скорости); импульс - векторная величина, мера механического движения, численно равная произведению массы и скорости:

. (2.5)

Импульс характеризует состояние механического движения тела в данный момент времени, положение тела в выбранной системе отсчета задается координатами. Эти параметры полностью определяют механическое состояние объекта.

Динамические и кинематические параметры движения связаны между собой. Эта связь представляет собой основные законы движения, сформулированные Ньютоном и составляющие суть классической механики.

I закон Ньютона представляет собой принцип инерции Галилея: если на тело не действует сила, то оно находится в покое или в состоянии прямолинейного равномерного движения.

II закон Ньютона: ускорение тела, приобретаемое при взаимодействии с другими телами, определяется отношением равнодействующей сил к массе.

(2.6)

(здесь - равнодействующая сил)

III закон Ньтона: два тела действуют друг на друга силами одной природы, равными по величине и противоположными по направлению.

Классическая механика продемонстрировала единство законов движения «земных» и «небесных» объектов, что особенно отчетливо проявляет закон всемирного тяготения, описывающий гравитационное взаимодействие и занимающий одно из важнейших мест в ньютоновской механической картине мира: два точечных объекта притягиваются друг к другу с силой, пропорциональной их массам (m1 и m2) и обратно пропорциональной квадрату расстояния r между ними:

. (2.7)

Здесь G - универсальная константа, называемая гравитационной постоянной, G= 6,67?10-11 м3/кг?с2. Всемирное тяготение - основное взаимодействие в масштабах бесконечной Вселенной, управляющее ее движением. Масса тел определяет их способности притягивать и притягиваться. Эта масса называется гравитационной. Численно она равна инертной массе, определяющей ускорение в соответствии со II-ым законом Ньютона (6).

В инерциальных системах отсчета силы и ускорения - абсолютны, а связь их не зависит от выбора системы отсчета, что определяется принципом относительности Галилея.

Следует отметить, что законы Ньютона инвариантны относительно изменения знака времени, т.е. в них физически не отрицается обратный ход времени, не выявляется его необратимость.

Механика Ньютона позволяет однозначно описать механическое состояние системы в любой момент времени по известным начальным параметрам и условиям движения: восстановить прошлое состояние и предсказать будущее. Эта теория - основа детерминизма, предложенного Лапласом (1749 - 1827) в качестве главного принципа устройства мира - принципа, распространяемого на все явления (физические, биологические, социальные, космологические): у любого явления есть причина, которая однозначно определяет следствие, следовательно, в природе нет места случайности.

Релятивистская концепция механического движения. Представления специальной теории относительности.

Ограниченность классической механики; постулаты специальной (частной) теории относительности Эйнштейна.

В конце девятнадцатого столетия классическая физика встретилась с серьезными трудностями. Ньютоновская механика подтверждалась многими экспериментами. Была также экспериментально установлена независимость скорости света в вакууме, регистрируемой наблюдателем (с = 3х108 м/с), от скорости движения наблюдателя т.е. ее абсолютность. Результаты этих экспериментов не укладывались в рамки классического закона сложения скоростей (2.4).

В 1905 г. Альберт Эйнштейн, один из самых выдающихся ученых нашего столетия, реформатор естествознания, разработал новую теорию движения - специальную теорию относительности (релятивистскую механику), которая перебросила мост между механикой и электромагнетизмом и связала воедино обе великие теории классической физики. Эйнштейн отказался от прежней трактовки пространства и времени как совершенно независимых категорий. С его точки зрения пространственные и временная координаты неразрывно связаны друг с другом и равноправны, образуя четырехмерный пространственно-временной континуум.

В основе специальной теории относительности лежат два постулата:

- принцип относительности (Эйнштейна): в одинаковых условиях во всех инерциальных системах отсчета все физические явления протекают одинаково (это положение является обобщением принципа относительности Галилея) т.е. законы физики одинаковы во всех инерциальных системах отсчета;

- принцип абсолютности скорости света: скорость света в вакууме одинакова для всех наблюдателей. На основе этих принципов были пересмотрены устоявшиеся представления о характеристиках механического движения.

Следствия постулатов специальной теории относительности.

Из постулатов специальной теории относительности следует:

- скорость света в вакууме (с=3?108м/с) - предельная скорость движения материи; никакое материальное тело ни в одной системе отсчета не может иметь скорости, большей скорости света в вакууме, никакой энергетический сигнал не может быть передан с большей скоростью;

- изменение системы отсчета приводит к изменениям координат, причем все координаты, включая время (!), относительны;

- пространственные интервалы относительны: измерение длины предмета наблюдателем, движущимся относительно него со скоростью , дает меньшее значение , чем измерение той же длины неподвижным наблюдателем («собственной» длины), т.е. происходит сокращение длины:

, (2.8)

следует подчеркнуть, что сокращается размер («сжимается» пространство) вдоль направления относительного движения; поперечные размеры не меняются;

- временные интервалы относительны: наблюдатель, движущийся относительно часов, показывающих интервал времени между двумя событиями Дt', может установить, что они идут медленнее таких же часов, находящихся в его системе отсчета и показывающих интервал Дt, т.е. имеет место эффект «замедления» времени:

, (2.9)

даже последовательность событий во времени с точки зрения двух наблюдателей зависит от относительной скорости их движения, если между явлениями нет причинно-следственной связи (никакой наблюдатель не может зарегистрировать следствие раньше причины);

- скорости относительны, однако закон сложения скоростей имеет другой вид и никогда не приведет к результату ;

- пространственно-временнные интервалы абсолютны, не зависят от системы отсчета; Эйнштейн рассмотрел единое 4-х-мерное пространство-время, математическая модель которого разработана Германом Минковским (1864 - 1909). В этой модели каждое событие описывается координатами x, y, z, ict (i = v-1); четвертая координата, определяющая момент времени, умножением на скорость с приобретает ту же размерность, что и другие координаты, но в трехмерном пространстве она мнимая. По аналогии с трехмерным интервалом, который определяется соотношением:

,

- четырехмерный интервал вычисляется:

(2.10)

и абсолютен:

; (2.11)

- масса относительна: масса тела зависит от скорости; тело, движущееся относительно наблюдателя, имеет массу (релятивистскую) m больше, чем то же тело покоящееся (масса покоя - m0):

; (2.12)

- полная энергия тела в отсутствии внешних полей равна сумме его энергии покоя m0с2 и кинетической энергии и определяется произведением релятивистской массы тела (m) и квадрата скорости света в вакууме (с):

; (2.13)

- сила относительна: при движении системы отсчета появляется дополнительная составляющая силы, перпендикулярная скорости движения; при движении заряда эта составляющая обеспечивает магнитную силу, таким образом, магнетизм - релятивистский эффект;

- основной закон движения един для различных инерциальных систем отсчета и абсолютен.

На первый взгляд, многие описанные следствия кажутся искусственными, не соответствующими здравому смыслу. Однако они нашли экспериментальное подтверждение. Эти эффекты (замедление времени, увеличение массы и т.д.) становятся заметными лишь при скоростях, близких к скорости света. Эксперименты с элементарными частицами с помощью мощных ускорителей показали, что с ростом скорости масса их действительно растет, а время «жизни» (до распада) - увеличивается. В нашем мире малых скоростей, сформировавшем и наше мышление, подобные эффекты не обнаруживаются, и эксперименты подтверждают полную справедливость классической механики. Здесь нет противоречия. Новая, релятивистская теория, имеющая более широкую область применения, включает в себя классическую теорию как частный случай, реализуемый при условии:

. (2.14)

Таким образом, взаимосвязь этих двух теорий движения полностью удовлетворяет принципу соответствия, сформулированному в гл. I.

Понятие об общей теории относительности. Влияние гравитации на пространство и время.

Специальная теория ограничивается рассмотрением инерциальных систем отсчета, движущихся с постоянной скоростью. Произвольные системы отсчета, которые могут двигаться с ускорением, изучаются общей теорией относительности. По сути, она является теорией гравитации. Широкий круг явлений, предсказанный специальной теорией, прошел экспериментальную проверку и получил подтверждение. Экспериментальная проверка общей теории продвинулась гораздо меньше, к настоящему времени ни один из предсказываемых ею нескольких эффектов окончательно не подтвержден. И все же эта теория поднимает столь глубокие вопросы, что безусловно заслуживает серьезного внимания.

Общая теория относительности разработана Эйнштейном в 1911 -1916 гг. В ее основе лежат два положения. Первое распространяет принцип относительности Эйнштейна на любые системы отсчета, т.е. и на неинерциальные (движущиеся ускоренно). Оно гласит: все физические законы можно сформулировать так, что они окажутся справедливыми для любого наблюдателя, сколь сложное движение он ни совершает. Математическое выражение законов может усложниться. Но смысл останется без изменения.

Второе положение называется принципом эквивалентности. Гравитация (всемирное тяготение) обусловливает ускоренное движение тел, причем все тела в данной точке гравитационного поля имеют одинаковое ускорение. В неинерциальной системе отсчета, движущейся вне поля тяготения с ускорением относительно инерциальной, все тела тоже будут иметь одинаковое ускорение (относительно инерциальной системы отсчета), противоположное ускорению системы, т.е. силу тяготения можно «создать» или «уничтожить» переходом в неинерциальную систему отсчета (движущуюся с ускорением). Принцип эквивалентности гласит: не существует эксперимента, с помощью которого можно было бы отличить действие гравитационного поля в сравнительно малом объеме пространства от действия ускоренного движения по отношению к «неподвижным» звездам (инерциальной системе отсчета). Принцип эквивалентности требует равенства двух масс тела: инертной и гравитационной. Эксперименты доказывают справедливость этого равенства с точностью до 10-11.

Наличие гравитации связано с распределением массы в пространстве. Следствиями этого является «искривление» пространства-времени в гравитационном поле. В отсутствии гравитации, т.е. в инерциальных системах отсчета, пространство-время однородно и эвклидово т.е. геометрические свойства пространства описываются геометрией Евклида (кратчайшее расстояние между двумя точками - отрезок прямой линии). В условиях гравитации (распределения массы с некоторой плотностью) пространство-время приобретает «кривизну», которая изменяет его свойства по сравнению со свойствами евклидового пространства: искривляются «прямолинейные» траектории, лучи света. В таком пространстве в принципе не существует прямых линий. Самый «прямолинейный» объект - свет движется по кривой. Линии движения света называются геодезическими. Если геодезические линии замкнуты - пространство «выпуклое», если параболические - пространство «вогнутое». В любом случае геометрия этого пространства - неевклидовая. Геометрия искривленных пространств была разработана Бойьяи (1802 - 1860), Гауссом (1777 - 1855), Лобачевским (1792 - 1856), Риманом 1826 - 1866) и другими учеными задолго до появления теории относительности. В общей тории относительности Эйнштейна предполагается, что распределение массы в пространстве - равномерное, т.е. плотность во всех точках одинакова. Тогда ускорение, обусловленное гравитацией, также одинаково во всех точках, следовательно, одинаков радиус кривизны всех геодезических линий (в любой точке), т.е. эти геодезические линии - окружности, и пространство замкнуто. Представить себе беспредельное искривленное трехмерное пространство с конечным радиусом кривизны невозможно. Но можно теоретически доказать вероятность его существования на основе следующей экстраполяции. Рассмотрим окружность - замкнутое одномерное пространство с определенным радиусом кривизны. В таком пространстве существует одна мировая линия. Наблюдатель, движущийся по ней, никогда не достигнет никакого передела, движение беспредельное, хотя радиус кривизны и размер пространства (длина окружности) конечны, при этом радиальные движения невозможны. Теперь перейдем к поверхности сферы определенного радиуса. Это уже двумерное искривленное пространство. Мировые линии здесь - любые окружности на поверхности сферы. Их бесконечное множество, и все они замкнуты и тоже имеют радиусы, не превосходящие максимальный - радиус кривизны сферы. Наблюдатель, способный двигаться только по поверхности, также воспринимает это пространство как беспредельное, но размер его -площадь поверхности сферы - конечен. Аналогично проявляется трехмерное искривленное пространство. Мировые линии в нем - тоже окружности. Их бесконечное множество, но радиус кривизны пространства и объем конечны. Радиальные движения невозможны. Поэтому наше пространство - Вселенная для нас безгранична, хотя, возможно, и имеет конечный размер, что будет обсуждаться ниже. Такая модель требует указания величины радиуса кривизны Вселенной. Он оценен и составляет на сегодняшний день 1026 м.

Как уже указывалось, экспериментальное обоснование общей теории относительности на сегодняшний день менее надежное по сравнению с обоснованием специальной теории относительности. Однако эффект искривления световых лучей экспериментально наблюдался. Следует ожидать, что с совершенствованием экспериментальных методик появится возможность получения других достоверных данных.

Масштабы пространства, времени.

При выяснении сущности понятий «пространство», «время», «материя» естественно возникает вопрос об их измерении, предельных размерах или, наоборот, минимальных «порциях» - квантах, если таковые существуют. Представление о пространственных, временных диапазонах и массах различных объектов дают три масштабные оси, представленные на вкладыше. Для более полной информации приведены масштабы массы объектов

Из рисунка видно, что во Вселенной наблюдаются объекты различных размеров. Самый большой - наша Вселенная, размер которой сегодня достигает 1026 м, (об изменении размеров Вселенной в процессе эволюции речь пойдет дальше). Если представить Землю уменьшенной до величины атома, расстояние 1025 м сожмется до размеров лунной орбиты. В космических масштабах измерять расстояния в метрах неудобно. Используются единицы: световой год (расстояние, которое свет проходит за год), равный 9,5?1015 м; парсек (пс), равный 3,26 светового года или 4?1016 м; астрономическая единица (а.е.) радиус земной орбиты, равный 1,5?1011 м. Размеры объектов микромира устанавливаются с помощью мощных ускорителей. Удалось установить не только размер ядра атома водорода, т.е. протона - 1,2?10-15 м, но и достичь пространственных интервалов в тысячу раз меньше. Для этого сталкивают два пучка частиц высоких энергий, относительная скорость которых так велика, что «размытие» их траекторий из-за волновых свойств меньше 10-18 м. Возможны ли меньшие интервалы? Существуют модели, в которых рассматривается предельно малый размер 10-35 м. За этим пределом научное описание, основанное на известных физических законах, невозможно. Именно с этого размера - сингулярного состояния - по современным представлениям начиналась эволюция нашей Вселенной. С этим минимальным пространственным интервалом связан и минимальный интервал времени 10-43 с - интервал, который затрачивает свет на прохождение расстояния 10-35 м. Это время существования Вселенной в сингулярном состоянии. С Вселенной связан и самый больший промежуток времени - ее возраст ~1018 с, или около 20 млрд. лет, - и самая большая масса - масса видимого вещества 10 51 кг.

В целом по пространственным масштабам и особенностям свойств материи принято выделять три области:

- микромир - от 10-35 м до 10 -10 м (размер атома);

- макромир - от 10-10 м до 10 13 м (радиус орбиты Плутона - последней планеты Солнечной системы);

- мегамир - от 10 13 м до 10 26 м.

Современные представления о структуре и эволюции Вселенной.

Современные методы астрономических исследований.

В XX в. радикально изменилась древнейшая наука - астрономия. Это связано, как с появлением её новой теоретической основы - релятивистской и квантовой механики, так и с расширением возможностей экспериментальных исследований.

Общая теория относительности стала одной из основополагающих теорий космологии, а создание квантовой механики дало возможность изучать не только механическое движение космических тел, но и их физические и химические характеристики. Получили развитие звездная и внегалактическая астрономия. Астрономия стала всеволновой, т.е. астрономические наблюдения проводятся на всех диапазонах длин волн электромагнитного излучения (радио, инфракрасный, видимый, ультрафиолетовый, рентгеновский и гамма-излучение). Ее экспериментальные возможности существенно возросли с появлением космических аппаратов, позволяющих проводить наблюдения за пределами земной атмосферы, поглощающей излучение. Все это привело к значительному расширению наблюдаемой области Вселенной и открытию целого ряда необычных (а часто и необъяснимых) явлений.

Основной инструмент астрономических исследований - телескоп, другие приборы, например спектроскопические, исследуют излучение, собираемое телескопом. Сейчас лишь малая часть астрономических работ осуществляется визуально, в основном исследования проводятся с помощью фотокамер и других регистрирующих излучение приборов. Появились радиотелескопы, позволяющие изучать радиоизлучение всевозможных объектов Солнечной системы, нашей и других галактик. Радиоастрономия чрезвычайно расширила знания о Вселенной и привела к открытию пульсаров (нейтронных звезд), квазаров - внегалактических объектов, являющихся самыми мощными из известных источников излучения, позволила получить информацию о наиболее удаленных областях Вселенной, обнаружить изотропное «реликтовое» излучение. Все это - важнейшие открытия ХХ в. Дополнительную информацию дают и исследования в инфракрасном, ультрафиолетовом, рентгеновском и - диапазонах, но эти излучения сильно поглощаются атмосферой, и соответствующая аппаратура устанавливается на спутниках. К выдающимся открытиям ХХ в. относится и обнаруженное в 1929 г. американским астрономом Эдвином Хабблом (1889 - 1953) увеличение длины волны, соответствующей линиям в спектрах удаленных галактик («красное смещение»), которое свидетельствует о взаимном удалении космических объектов, т.е. о расширении Вселенной.

Структура Вселенной.

Солнечная система. Солнечная система - космический дом человечества. Солнце - источник тепла и света, источник жизни на Земле. Солнечная система - взаимосвязанная совокупность звезды - Солнца и множества небесных тел, к которым относятся девять планет, десятки их спутников, сотни комет, тысячи астероидов и др. Все эти разнообразные тела объединены в одну устойчивую систему благодаря силе гравитационного притяжения центрального тела - Солнца.

Солнце - плазменный шар, состоящий в основном из водорода и гелия, находящийся в состоянии дифференцированного вращения вокруг своей оси. Наибольшая скорость вращения в экваториальной плоскости - один оборот за 25,4 суток. Источником солнечной энергии, скорее всего, являются термоядерные реакции превращения водорода в гелий, протекающие во внутренних областях солнца, где температура достигает 107 К. Температура поверхностных частей 6000 К. Поверхность Солнца не является гладкой, на ней наблюдаются гранулы, обусловленные конвективными газовыми потоками, возникают и исчезают «пятна», вихри. Взрывные процессы на Солнце, солнечные вспышки, периодически возникающие на его поверхности пятна, могут служить мерой активности Солнца. Исследования показали, что цикл максимальной активности Солнца регулярен и составляет приблизительно 11 лет. Пятна и вспышки на Солнце - наиболее заметные проявления магнитной активности Солнца. Связь между солнечной активностью и процессами на Земле отмечалась еще XIX веке, а в настоящее время имеется огромный статистический материал, подтверждающий влияние активности Солнца на земные процессы.

Разработанная в XVII - XVIII вв. теоретическая основа классической астрономии - классическая механика позволяет прекрасно описать движение связанных гравитационным взаимодействием тел Солнечной системы, но не дает ответа на вопрос о ее происхождении. Планеты солнечной системы: Меркурий, Венера, Земля, Марс, Юпитер, Сатурн, Уран, Нептун и Плутон, за исключением последней движутся вокруг Солнца в одном направлении в единой плоскости по эллиптическим орбитам. Планеты, как и их спутники, не являются самосветящимися телами и видны только потому, что освещены Солнцем. С 1962 г. планеты и их спутники исследуются не только с Земли, но и с космических станций. В настоящее время накоплен обширный фактический материал об особенностях физических и химических свойств поверхности планет, их атмосферы, магнитном поле, периодах вращения вокруг оси и Солнца. По физическим характеристикам планеты делятся на две группы: планеты-гиганты (Юпитер, Сатурн, Уран, Нептун) и планеты земной группы (Меркурий, Земля, Венера, Марс). Орбита наиболее удаленной от Солнца планеты - Плутона, размер которого меньше размера спутника Земли - Луны, определяет размер Солнечной системы 1,2?1013 м.

Солнечная система, являясь частью нашей галактики, как целое движется вокруг ее оси со скоростью 250 м/с, делая полный оборот за 225 млн. лет. Согласно современным представлениям формирование современной структуры Солнечной системы началась с бесформенной газопылевой туманности (облака). Солнечная система образовалась примерно 5 млрд. лет назад, причем Солнце - звезда второго ( или более позднего) поколения, т.к. кроме обычных для звезд водорода и гелия содержит и тяжелые элементы. Элементный состав Солнечной системы характерен для эволюции звезд. Под действием гравитационных сил облако сжималось так, что самая плотная его часть находилась в центре, где сосредоточена основная масса вещества первичной туманности. Там возникло Солнце, в недрах которого затем начались термоядерные реакции превращения водорода в гелий, являющиеся основным источником энергии солнца. По мере увеличения светимости Солнца газовое облако становилось все менее однородным, в нем появились сгущения - протопланеты. С ростом размеров и массы протопланет их гравитационное притяжение усиливалось, таким образом сформировались планеты. Остальные небесные тела образованы остатками вещества исходной туманности. Итак, примерно 4,5 5 млрд лет назад Солнечная система окончательно сформировалась в сохранившемся до нас виде. Вероятно, еще через 5 млрд лет Солнце истощит запасы водорода, и его структура начнет изменяться, что приведет к постепенному разрушению нашей Солнечной системы.

Хотя современные представления о происхождении Солнечной системы остаются на уровне гипотез, они согласуются с идеями закономерной структурной самоорганизации Вселенной в условиях сильнонеравновесного состояния.

Звезды. Галактики. Солнце - песчинка в мире звезд. Звезда - основная структурная единица мегамира. Стационарная звезда представляет собой высокотемпературный плазменный шар в состоянии динамического гидростатического равновесия. Она является тонко сбалансированной саморегулирующейся системой. В отличие от других небесных тел, например планет, звезды излучают энергию. Энергия, генерируемая в них ядерными процессами, приводит к возникновению в недрах звезд атомов химических элементов тяжелее водорода и является источником света. Звезды - природные термоядерные реакторы, в которых происходит химическая эволюция вещества. Они сильно различаются по своим физическим свойствам и химическому составу. Наблюдаются разные типы звезд, которые соответствуют разным этапам их эволюции. Эволюционный путь звезды определяется её массой, которая меняется в основном в пределах от 0,1 до 10 масс Солнца. Звезды рождаются, изменяются и гибнут. При массе, меньшей 1,4 солнечной, звезда, пройдя стадию красного гиганта, превращается сначала в белого карлика, затем - в черного карлика, холодную мертвую звезду, размер которой сравним с размером Земли, а масса - не более солнечной. Более массивные звезды на завершающем этапе эволюции испытывают гравитационный коллапс - неограниченное стягивание вещества к центру и могут вспыхнуть как сверхновые с выбросом значительной части вещества в окружающее пространство в виде газовых туманностей и превращением оставшейся части в сверхплотные нейтронную звезду или черную дыру.

Звезды образуют галактики гигантские гравитационно связанные системы. Наша Галактика, в которую входит Солнце, называется Млечный путь и насчитывает 1011 звезд. Галактики разнообразны по размерам и по форме. По внешнему виду выделяют три типа галактик - эллиптические, спиральные и неправильные. Наиболее распространенными являются спиральные, к ним относится и Наша Галактика. Она представляет собой уплощенный диск с диаметром ~ 105 световых лет с выпуклостью в центре, откуда исходят спиральные рукава. Галактика вращается, причем быстрота вращения зависит от расстояния до ее центра. Солнечная система находится на расстоянии приблизительно 30 000 световых лет от центра галактического диска.

С Земли невооруженным глазом можно наблюдать три галактики - Туманность Андромеды (из Северного полушария) и Большое и Малое Магеллановы облака (из Южного). Всего же астрономы обнаружили около ста миллионов галактик.

Помимо миллиардов звезд галактики содержат вещество в виде межзвездного газа (водород, гелий) и пыли. Плотные газово-пылевые облака скрывают от нас центр нашей Галактики, поэтому о его структуре можно судить только предположительно. Кроме того, в межзвездном пространстве существуют потоки нейтрино и электрически заряженных частиц, разогнанных до околосветовых скоростей, а также поля (гравитационные, электромагнитные). Следует отметить, что, хотя количество молекул органических соединений в межзвездном веществе невелико, их присутствие является принципиально важным. Например, теория абиогенного происхождения жизни на Земле опирается на участие в этом процессе молекул органических веществ, электромагнитного излучения и космических лучей. Чаще всего органические молекулы встречаются в местах максимальной концентрации газопылевого вещества.

В конце 70-х годов нашего века астрономы обнаружили, что галактики во Вселенной распределены не равномерно, а сосредоточены вблизи границ ячеек, внутри которых галактик почти нет. Таким образом, в небольших масштабах вещество распределено очень неравномерно, но в крупномасштабной структуре Вселенной не существует каких-либо особых мест или направлений, поэтому в больших масштабах Вселенную можно считать не только однородной, но и изотропной.

Метагалактика. Мы вкратце рассмотрели структурные уровни организации вещества в мегамире. Есть ли верхняя граница в возможности наблюдения Вселенной? Современная наука отвечает на этот вопрос утвердительно. Существует принципиальное ограничение размеров наблюдаемой части Вселенной, связанное не с экспериментальными возможностями, а с конечностью её возраста и скорости света.

Космология на основе общей теории относительности Эйнштейна и закона Хаббла(см. ниже) определяет возраст Вселенной Твс 15-20 млрд лет (1018 с.). Никаких структурных единиц до этого не существовало. Введем понятие космологического горизонта, отделяющего те объекты от которых свет за время t<Твс до нас дойти не может. Расстояние до него

,

где с - скорость света в вакууме, Твс - возраст Вселенной.

Космологический горизонт образует границу принципиально наблюдаемой части Вселенной - Метагалактики. Если принять, что возраст Вселенной 1018 с, то размер Метагалактики имеет порядок 1026м, причем космологический горизонт непрерывно удаляется от нас со скоростью 3?108 м/с.

Важное свойство Метагалактики в современном состоянии - её однородность и изотропность, т.е. свойства материи и пространства одинаковы во всех частях Метагалактики и по всем направлениям. Одно из важнейших свойств Метагалактики - её постоянное расширение, «разлет» галактик. Американский астроном Э. Хаббл установил закон, согласно которому чем дальше от нас находятся галактики, тем с большей скоростью они удаляются.

...