Характеристика основных концепций развития естественнонаучных дисциплин

Расширяющаяся Вселенная - это Вселенная изменяющаяся. А значит, у неё есть своя история и эволюция. Эволюция Вселенной как целого изучается космологией, которая в настоящее время дает описание и первых мгновений её возникновения и возможных путей развития в будущем.

Космологические модели Вселенной.

Модели стационарной Вселенной. Уникальность Вселенной не позволяет провести экспериментальную проверку выдвигаемых гипотез и поднять их до уровня теорий, поэтому эволюция Вселенной может рассматриваться только в рамках моделей.

После создания классической механики научная картина мира основывалась на ньютоновских представлениях о пространстве, времени и гравитации и описывала неизменную во времени, т.е. стационарную, бесконечную Вселенную, созданную Творцом.

В XX в. появились новые теоретические основы для создания новых космологических моделей.

Прежде всего надо упомянуть космологический постулат, согласно которому устанавливаемые в ограниченной части Вселенной физические законы справедливы и для всей Вселенной. Кроме того, считается аксиомой однородность и изотропность крупномасштабного распределения вещества во Вселенной. При этом модель эволюции должна соответствовать так называемому антропному принципу, т.е. предусматривать возможность появления на определенном этапе эволюции наблюдателя (разумного человека).

Поскольку именно тяготение определяет взаимодействие масс и на больших расстояниях, теоретическим ядром космологии ХХ в. стала релятивистская теория гравитации и пространства-времени - общая теория относительности. Согласно данной теории распределение и движение материи определяют геометрические свойства пространства-времени и в то же время сами зависят от них. Гравитационное поле проявляется как «искривление» пространства-времени. В первой космологической модели Эйнштейна, созданной на основе общей теории относительности в 1916 г., Вселенная также стационарна. Она безгранична, но замкнута и имеет конечные размеры. Пространство замыкается само на себя.

Фридмановские модели нестационарной Вселенной. Эйнштейновская модель стационарной Вселенной была опровергнута в работах русского ученого А.А. Фридмана (1888 - 1925) , который в 1922 г. показал, что искривленное пространство не может быть стационарным: оно должно либо расширяться, либо сжиматься. Возможны три различных модели изменения радиуса кривизны Вселенной, зависящие от средней плотности вещества в ней, причем в двух из них Вселенная бесконечно расширяется, а в третьей - радиус кривизны периодически изменяется (Вселенная пульсирует).

Хотя открытие Э. Хабблом закона зависимости скорости удаления галактик от расстояния до них подтвердило расширение Вселенной, в настоящее время сравнение экспериментально оцененной плотности вещества с критическим значением данного параметра, определяющим переход от расширения к пульсации, не дает возможности однозначно выбрать сценарий дальнейшей эволюции. Эти две величины оказались близки, а экспериментальные данные - недостаточно надежны.

Расширение Вселенной в настоящее время является обоснованным и общепризнанным фактом, позволяющим оценить возраст Вселенной. В соответствии с наиболее распространенными оценками он составляет 1018с (18 млрд лет). Следовательно, современные модели предполагают «начало» Вселенной. Как же началась ее эволюция?

Модель горячей Вселенной. В основе современных представлений о начальных стадиях эволюции Вселенной лежит модель «горячей Вселенной», или «Большого Взрыва», основы которой были заложены в 40-х годах XX в. российским ученым, работавшим в США, Г.А. Гаммовым (1904 - 1968). В простейшем варианте данной модели представляется, что Вселенная возникла спонтанно в результате взрыва из сверхплотного и сверхгорячего состояния с бесконечной кривизной пространства (состояния сингулярности). «Горячесть» начального сингулярного состояния характеризуется преобладанием в нем электромагнитного излучения над веществом. Это подтверждается экспериментально обнаруженным в 1965 году американскими астрофизиками Пензиасом (г. р. 1933) и Вильсоном (г. р. 1936) изотропным электромагнитным «реликтовым излучением». Современные физические теории позволяют описать эволюцию материи начиная с момента времени t = 10-43c. Самые начальные моменты эволюции Вселенной пока находятся за физическим барьером. Только начиная с момента t = 10-10 c после Большого Взрыва наши представления о состоянии вещества в ранней Вселенной и происходящих в ней процессах могут быть проверены экспериментально и описаны теоретически.

По мере расширения Вселенной плотность вещества в ней уменьшается и температура падает. При этом происходят процессы качественных превращений частиц вещества. В момент 10-10с вещество состоит из свободных кварков, лептонов и фотонов (см. раздел III). По мере остывания Вселенной происходит образование адронов, затем возникают ядра легких элементов - изотопов водорода, гелия, лития. Синтез ядер гелия прекращается в момент t = 3 мин. Только через сотни тысяч лет ядра соединяются с электронами, и возникают атомы водорода и гелия, и с этого момента вещество перестает взаимодействовать с электромагнитным излучением. «Реликтовое» излучение возникло именно в этот период. Когда размеры Вселенной были примерно в 100 раз меньше, чем в настоящую эпоху, из неоднородностей газообразного водорода и гелия возникли газовые сгустки, которые фрагментировались и привели к возникновению звезд и галактик.

Вопрос об исключительности Вселенной как объекта космологии остается открытым. Наряду с распространенной точкой зрения, что вся Вселенная - это наша Метагалактика, существует противоположное мнение, что Вселенная может состоять из множества метагалактик, а представление об уникальности Вселенной является исторически относительным, определяемым уровнем науки и практики.

3. Ритмы, колебания, волны

Ритм как упорядочение времени.

Временной ритм - тип связи событий, обеспечивающий упорядочение процессов во времени. Ритм формируют временн?ю структуру, согласовывает функционирование отдельных частей во времени и организующий отдельные процессы в единую систему. Ритм определяет меру времени, лежит в основе измерения времени. Ритмичность, периодичность предполагают повторяемость, возврат. Вместе с тем время необратимо. Необратимость и ритмичность - взаимно противоречивые свойства времени, диалектически связанные друг с другом. Ритмические (циклические) процессы имеют место на всех уровнях организации Вселенной (от атома до галактик), на всех ступенях эволюции. Ритмичность - общая черта живого и неживого, это фактор, способствующий единству природы, и следствие этого единства. Цикличность характеризует геологическое развитие (движение Земли, сложное сочетание изменений гравитационного и магнитного полей, потоков космических лучей и радиации, глобальные оледенения и сейсмическую активность земной коры). Ритм в живой природе - форма синхронизации жизнедеятельности организма с изменениями внешней среды. Циклично историческое развитие (пассионарные взлеты и падения этносов) и разнообразные процессы в экономической сфере. Ритм - основа гармонии в музыке, живописи, поэзии. Поэтому выяснение сущности ритмических явлений и их описание имеет огромное значение для формирования научной картины мира. Ритм - предмет науки - ритмологии, - объединяющей различные разделы физики, химии, астрономии, геологии, биологии, медицины и т.д.

Космические и биологические ритмы.

Ритмические процессы во Вселенной можно разделить на две группы: ритмы по антропной (соизмеренной с жизнью человека) и геологической (не соизмеренной с жизнью человека) шкале времени.

К первой группе относятся ритмы следующих процессов.

Суточный ритм. Сутки - время полного оборота Земли вокруг оси. При этом все тела на поверхности Земли, находящиеся на экваторе, приобретают линейную скорость 0,5 км/с. Ось вращения Земли в настоящее время наклонена к плоскости орбиты (эклиптике) под углом 66033. Этот наклон - причина изменения продолжительности дня и ночи в течение года. На вращение Земли оказывает влияние притяжение Луны. Помимо приливов луна вызывает замедление вращения Земли. С помощью точных атомных часов установлено, что за каждые 100 лет «суточные часы» отстают на 100 с, а за 2000 лет - на 3,5 часа.

Годичный ритм. Год - время оборота Земли вокруг солнца, линейная скорость вращения Земли 30 км/ч. Орбитальное движение Земли обеспечивает климат различных областей земной поверхности. Солнце - важнейший источник энергии: за 1 с Земля получает 1,81017 Дж, и это только 0,510-9 часть выделяемой солнцем энергии. В ходе орбитального движения происходит смена времен года. Причина этого - наклон земной оси (на Уране и Юпитере, оси которых не наклонены к эклиптике, времен года нет)

Одиннадцатилетний ритм солнечной активности. Солнце - гигантский ядерный реактор, действие которого сопровождается освобождением частиц с высокой энергией. Время от времени в его магнитном поле возникают неоднородности, в области которых величина поля существенно возрастает. Эти неоднородности визуально выявляются в виде пятен. Перестройка солнечных пятен сопровождается вспышками (взрывами) - выделением энергии и образованием мощных потоков частиц. Соответственно происходят изменения в магнитосфере Земли, возникают магнитные бури, развиваются циклоны и другие метеорологические явления. Вспышка длится 8 мин, а ее последствия - до 2 суток. Но бывают периоды (до нескольких лет) когда число пятен заметно увеличивается, вспышки следуют одна за другой. Солнечная активность - число вспышек в месяц - резко возрастает. Это обусловлено вращением магнитного поля солнца с периодом приблизительно 22 года, так что через каждые 11 лет меняется полярность. При совпадении магнитной оси с осью вращения солнца активность минимальная, когда магнитная ось перпендикулярна оси вращения, -активность максимальна. Солнечная активность заметно влияет на биосферу Земли. Еще в 1801 г. английский астроном У. Гершель (1738 - 1822) отметил корреляцию между усилением солнечной активности и повышением урожайности сельскохозяйственных культур. А. Л. Чижевский (1897 - 1964) исследовал различные аспекты этого явления, установил корреляцию солнечной активности с целым рядом природных и социальных явлений (изменением грунтовых вод, повторяемостью засух, ураганов, возникновением эпидемий, ростом преступности). Его работы легли в основу новой науки: гелиобиологии. Чижевский рассматривал солнечную активность как один из существенных факторов, определяющих динамику всемирно - исторического процесса. Согласно его учению, «состояние предрасположения к поведению человеческих масс есть функция энергетической деятельности Солнца: усиление солнечных потоков воздействует на нервную и гормонально - эндокринную системы индивидуумов, что приводит к повышению коллективной возбудимости, неуравновешенности, агрессивности, экстремального поведения». Если в этот период в обществе нет объединяющей «идеи», то растет преступность, а если есть «идея» - как правило происходят революции: в годы повышенной активности произошли 60% подобных социальных движений (1789 г.,1830 г., 1848 г., 1905 г., 1917 г.), при минимуме активности - 5%.

Ритмы по геологической шкале времени включают следующие процессы.

Прецессия земной оси. Ось Земли прецессирует - описывает конус вокруг перпендикуляра к эклиптике с углом раствора 4653 т.е. с углом наклона к перпендикуляру под углом 2326,5. Период прецессии составляет приблизительно 25800 лет. Прецессия обусловлена влиянием гравитационных полей Луны и Солнца. По мнению некоторых ученых она является одной из главных причин глобальных колебаний климата (периодических оледенений). История Земли насчитывает десятки ледниковых периодов. Последний был около 2000 лет назад. В прежние века климат был теплее: 1000 лет на Британских островах выращивали виноград, а в центре Евразии от Уссури и до Дуная была вековая засуха. В пределах глобальных колебаний климата периодически возникают малые (с меньшей амплитудой температуры и периодом). Так с XV по XIX века наблюдался малый ледниковый период, и в настоящее время климат несколько теплеет (главным образом в следствии причин техногенного характера).

Колебания магнитного поля Земли. Магнитное поле Земли непостоянно. Периодически происходит изменение (инверсия) его полярности. Это изменение происходило в среднем не менее трех раз за каждый миллион лет. В период смены полярности предшествует Земля теряет магнитосферу, защищающую ее от интенсивных потоков космического излучения. Инверсии («переключения» магнитного поля) влекут за собой катастрофические изменения биосферы: мутации в клетках живых организмах, вымирание биологических видов.

Обращения Солнца вокруг цента галактики. Период этого обращения составляет приблизительно 250 млн. лет и называется галактическим годом. Скорость движения Солнца (и всей солнечной системы) по галактической орбите составляет около 250км/с, радиус орбиты Солнца - примерно 30000 световых лет. Наша Галактика - Млечный путь - система, состоящая из сотни миллиардов звезд. Она относится к дискообразным галактикам и имеет сложную структуру: спиральные рукава, содержащие яркие молодые звезды. вращаются с постоянной угловой скоростью («твердотельной»), а галактическое вещество диска галактики - звезды низкой светимости, межзвездный газ, заполняющие пространство между рукавами, имеют угловую скорость, убывающую с удалением от центра. Диск вращается быстрее, чем спиральный узор и возникает явление, называемое галактической ударной волной. Но есть зона, где эти скорости вращения совпадают - зона коротации (совместного вращения). Это кольцо шириной около 800 световых лет радиусом 30000 световых лет т.е. соответствующим радиусу солнечной орбиты. Участки коротационного круга, вне рукавов - это зоны, где нет ударных волн, редки вспышки сверхновых, и устойчивый «галактический климат» сохраняется миллиарды лет. Именно в этих зонах на образовавшихся около звезд планетах возможна химическая эволюция, в ходе которой формируются сложные комплексы органических молекул, а затем и возникновение жизни. Вспышки сверхновых губительны для жизни.

Биологические ритмы - периодические процессы, наблюдаемые на всех уровнях организации живых систем и характеризующиеся широким диапазоном частот.

Можно выделить клеточные, органные, организменные, популяционные ритмы. Частотные диапазоны этих классов перекрываются, но наблюдается тенденция к удлинению периодов по мере усложнения систем.

По функциональной направленности различают собственные рабочие (физиологические) ритмы, обеспечивающие сбалансированность физико - химических процессов в организме, и адаптивные, роль которых - обеспечение приспособляемости организма к изменениям среды, а периоды близки к параметрам геофизических циклов.

По природе ритмические процессы подразделяются на механические (биение сердца, ритм дыхания, сокращения перистальтики и др.) и электромагнитные ( - ритмы головного мозга )

Частотный диапазон биологических ритмов достаточно широкий. В нем можно выделить ритмы высокой частоты (с периодами от доли секунд до 30 мин.): осцилляции на молекулярном уровне, - ритмы головного мозга, биение сердца, ритмы дыхания, перистальтики кишечника), - а также макроритмы (от 10 20 дней до года): периодические изменения трех интегральных составляющих жизнедеятельности человека: физического самочувствия, эмоционального состояния и интеллектуальной активности (каждому человеку полезно знать и учитывать эти показатели для себя, в особенности - время совпадения их минимумов, так называемые «тройные точки»: в такое время увеличивается вероятность негативных последствий).

Общая характеристика колебаний.

Ритмические процессы любой природы, характеризующиеся повторяемостью во времени, называются колебаниями.

Колебание - процесс, характеризующийся повторяемостью во времени параметров, его описывающих. Единство закономерностей ритмических процессов позволило разработать единый математический аппарат для их описания - теорию колебаний. Существуют множество признаков, по которым могут быть классифицированы колебания.

По физической природе колеблющейся системы различают механические и электромагнитные колебания.

Колебания называются периодическими, если величина, характеризующая состояние системы, повторяется через равные промежутки времени - период колебания.

Период (T) - минимальное время, через которое повторяется состояние колебательной системы, т.е. время одного полного колебания.

Для таких колебаний:

x(t)=x(t+T); (3.1)

Периодическими являются колебания маятника часов, переменный ток, биение сердца, а колебания деревьев под порывом ветра, курсов иностранных валют - не периодические.

Кроме периода в случае периодических колебаний определена их частота. Частота () т.е. число колебаний в единицу времени.

Частота -величина, обратная периоду колебания,

; (3.2)

Единицей измерения частоты является Герц: 1 Гц = 1 с-1, частота соответствующая одному колебанию в секунду. При описании периодических колебаний также используется циклическая частота - число колебаний за 2р секунд:

; (3.3)

При периодических колебаниях эти параметры постоянны, а при других колебаниях могут изменяться. Закон колебаний - зависимость колеблющейся величины от времени x(t) - может быть может быть разной. Наиболее простыми являются гармонические колебания (рис. 3.1), для которых колеблющаяся величина меняется по закону синуса или косинуса, что позволяет использовать одну функцию для описания процесса во времени:

;

или:

; (3.4)

Здесь: x(t) - значение колеблющейся величины в данный момент времени t, А - амплитуда - наибольшее отклонение колеблющейся величины от среднего значения., щ - циклическая частота, (щt+ц) - фаза колебания, ц - начальная фаза.

Гармоническому закону подчиняются многие известные колебательные процессы. в т.ч. упомянутые выше, но наиболее существенно что с помощью метода Фурье любая периодическая функция раскладывающаяся на гармонические составляющие (гармоники) с кратными частотами:

f(t)= А+ А1cos(t + )+ Аcos (2 t+ )+…; (3.5)

Здесь основная частота определяется периодом процесса: .

Каждая гармоника характеризуется частотой () и амплитудой (А). Совокупность гармоник называется спектром. Спектры периодических колебаний дискретные (линейчатые) (рис. 3.1 а), а не периодических непрерывные (рис. 3.1 б) .

Рис. 3.1. Дискретные (а) и непрерывные (б) спектры сложных колебательных

Виды колебаний.

Колебательная система обладает определенной энергией, за счет которой совершаются колебания. Энергия зависит от амплитуды и частоты колебаний.

Колебания подразделяются на следующие виды: свободные или собственные, затухающие, вынужденные, автоколебания.

Свободные колебания совершаются в системе, однократно выведенной из положения равновесия и в дальнейшем предоставленной самой себе. При этом колебания происходят с собственной частотой (), которая не зависит от их амплитуды, т.е. определяется свойствами самой системы.

В реальных условиях колебания всегда являются затухающими, т.е. со временем происходит уменьшение энергии за счет ее диссипации и как следствие уменьшается амплитуда колебаний. Диссипация - необратимый переход части энергии упорядоченных процессов («энергии порядка») в энергию беспорядочных процессов («энергию хаоса»). Диссипация происходит в любой колеблющейся открытой системе.

Для создания незатухающих колебаний в реальных системах необходимо периодическое внешнее воздействие - периодическое пополнение энергии, теряемой за счет диссипации. Гармонические колебания, происходящие за счет внешнего периодического воздействия («вынуждающей силы»), называются вынужденными. Их частота совпадает с частотой вынуждающей силы (), а амплитуда оказывается зависящей от соотношения между частотой силы и собственной частотой системы. Важнейшим эффектом, осуществляющимся при вынужденных колебаниях, является резонанс - резкое возрастание амплитуды при приближении частоты вынужденных колебаний к собственной частоте колебательной системы. Резонансная частота тем ближе к собственной, а максимум амплитуды тем больше, чем меньше диссипация.

Автоколебания - незатухающие колебания, происходящие за счет источника энергии, вид и работа которого определяется самой колебательной системой. При автоколебаниях основные характеристики - амплитуда, частота - определяются самой системой. Это отличает данные колебания как от вынужденных, при которых эти параметры зависят от внешнего воздействия, так и от собственных, при которых внешнее воздействие задает амплитуду колебания. Простейшая автоколебательная система включает в себя:

- колебательную систему (с затуханием),

- усилитель колебаний (источник энергии),

- нелинейный ограничитель (клапан),

- звено обратной связи.

При автоколебаниях для их установления важна нелинейность, управляющая поступлениями и тратами энергии источника, и позволяющая установить колебания определенной амплитуды. Примерами автоколебательных систем являются: механической - маятниковые часы, термодинамической - тепловой двигатель, электромагнитной - ламповый генератор, оптической - лазер (оптический квантовый генератор). Здесь колебательная система - оптически активная среда, заполняющая оптический резонатор, имеется внешний источник энергии, обеспечивающий процесс «накачки», клапан и обратная связь - полупрозрачное зеркало на выходе оптического резонатора, нелинейность определяется условиями вынужденного излучения. Во всех автоколебательных системах обратная связь регулирует включение внешнего источника и поступление в колебательную систему энергии: пока поступление энергии (вклад) выше потери, происходит самовозбуждение (раскачка), колебания в системе усиливаются; когда потеря энергии становится равной ее поступлению, клапан закрывается. Система колеблется в стационарном режиме с постоянной амплитудой; при возрастании потери амплитуда уменьшается, и вновь открывается клапан, возрастает вклад, амплитуда восстанавливается, клапан закрывается. Общая характеристика волны.

Волна (волновой процесс) - распространение колебания в непрерывной (сплошной) среде. Волновой процесс характеризуется двойной периодичностью: величины, определяющие состояние системы, периодически изменяются во времени и пространстве:

,

где t - время, r - координата рассматриваемой точки.

Периодичность во времени характеризуется, как и в случае колебаний, периодом и частотой, а периодичность в пространстве - длиной волны (л ). Длина волны - скалярная величина, численно равная расстоянию, на котором повторяется состояние системы:

x(r)=x(r+л); (3.6)

Для гармонических волн х зависит от времени по закону синуса или косинуса, и длина волны равна расстоянию, на которое распространяется волна за период:

, (3.7)

где х - скорость распространения волны.

В естествознании образами, наиболее ярко воплощающими противоположность прерывного (дискретного) и непрерывного являются частицы (корпускулы) и волны: частицы - носители дискретности, а волны - непрерывности.

Существуют два способа переноса энергии в пространстве: корпускулярный - движение частиц вещества, - и волновой - распространение волн. Важнейшая особенность волн - возможность переноса энергии без переноса вещества. Количественной характеристикой этого процесса является интенсивность волны (I) - величина, численно равная энергии (ДW), переносимой волной в единицу через единицу площади поверхности (S), перпендикулярной направлению распространения волны:

; (3.8)

Подобно движущимся частицам вещества волны обладают и импульсом, оказывая давление на преграду при поглощении или отражении.

Волны могут различаться по тому, как соотносятся направления колебаний и направление распространения волны (т.е. по геометрическому характеру колебаний): различают продольные (направления параллельны) и поперечные (направления перпендикулярны) волны. Примером продольных волн являются звук, ультразвук, поперечных - свет, волны на поверхности воды.

В зависимости от природы в макромире рассматриваются упругие (механические) и электромагнитные волны.

Упругие волны.

Упругими волнами называется процесс распространения механических колебаний в вещественной среде. Условием их распространения является наличие упругой связи частиц в среде: выведение из равновесия одной частицы сказывается на другой и т.д., так что в следствие упругой связи возмущение передается от одной частицы к другой. Возможны два типа механических волн: поперечные и продольные. Поперечные волны возможны в среде, оказывающей сопротивление сдвигу, обладающей упругостью формы т.е. в твердом теле. Продольные упругие волны могут распространяться в любой среде: твердой, жидкой, газообразной.

Среди упругих волн особую роль играют звуковые волны. Звук - продольные механические волны. Звук распространяется в любой среде. В вакууме звуковые волны не распространяются. В воздухе при нормальных условиях скорость звука приблизительно равна 340 м/с, а в воде - 1500 м/с. Звуки принято характеризовать громкостью и высотой тона. Эти характеристики определяются соответственно амплитудой и частотой звуковой волны.

Человек слышит звук с частотами от 16 до 20 000 Гц. Физическое понятие о звуке охватывает как слышимые, так и неслышимые звуки. Звук с частотой ниже 16 Гц называется инфразвуком (содержится в шуме атмосферы, леса и моря), выше 20 000 Гц -ультразвуком; самые высокочастотные упругие волны в диапазоне от 109 до 1012-1013 Гц относят к гиперзвуку.

Электромагнитные волны.

В теории электромагнитного поля Максвелл предсказал возможность распространения переменного электромагнитного поля в пространстве (в т.ч. и в вакууме) в виде электромагнитной волны. Теоретически полученное численное значение скорости этих волн в вакууме совпало с экспериментально определенной скоростью света, что позволило сделать вывод об электромагнитной природе света. Электромагнитные волны могут иметь различные значения длины волны (частоты). Исторически принято выделять шесть диапазонов электромагнитного излучения, которые обычно перечисляются в порядке убывания длины волны, образуя шкалу электромагнитных волн (таблица 3.1).

Таблица 3.1. Шкала электромагнитных волн

Вид электромагнитных волн	Диапазон частот, Гц	Диапазон длины волны, м
Радиоволны	0,3*104 - 0,5*1012	0,6*10-4 - 105
Инфракрасное излучение	5*1012 - 4*1014	0,8*10-6 - 0,6*10-3
Видимый свет	0,4*1014 - 0,8*1014	0,4*10-6 - 0,8*10-6
Ультрафиолетовое излучение	0,8*1014 - 0,5*1017	0,6*10-8 - 0,4*10-6
Рентгеновское излучение	0,7*1016 - 0,6*1020	0,5*10-11 - 0,2*10-7
Гамма-излучение	более 0,6*1019	Менее 0,5*10-10

Природа электромагнитных волн едина: это поперечные волны, в которых происходят согласованные колебания напряженности электрического и индукции магнитного полей, но различие частоты (длины волны) существенным образом влияют на свойства волн. Например, радиоволны практически не оказывают вредного воздействия на живые организмы, при распространении длинные радиоволны способны огибать поверхность Земного шара, а гамма-излучение губительно для живого и распространяется строго прямолинейно.

Скорость любых электромагнитных волн в вакууме одинакова и равна с = 3*108 м/с, а при их распространении в среде уменьшается. Величина, характеризующая оптические свойства среды и равная отношению скорости света в вакууме (с) к скорости света в данной среде (х), называется показателем преломления среды (n):

; (3.9)

где n - показатель преломления среды.

Для воды n=1,33 , и, соответственно, скорость света х=2,2*108 м/с. Чем больше показатель преломления, тем оптически более плотной является среда.

Волновые явления.

Данные явления присущи волнам любой природы. Причем явления интерференции, дифракции, поляризации и свойственны только волновым процессам и могут быть объяснены только на основе волновой теории.

Отражение и преломление. Распространение волн геометрически описывается с помощью лучей. В однородной среде (n = const) лучи прямолинейны. Однако, на границе раздела сред их направления меняются. При этом образуется две волны: отраженная, распространяющаяся в первой среде с прежней скоростью, и преломленная, распространяющаяся во второй среде с другой скоростью, зависящей от свойств этой среды. Явление отражения известно как для звуковых (эхо), так и для световых волн. Благодаря отражению света формируется мнимое изображение в зеркале. Преломление света лежит в основе множества интересных атмосферных явлений. Оно широко используется в различных оптических устройствах: линзах, призмах, оптических волокнах. Эти устройства являются элементами приборов самого разного назначения: фотоаппаратов, микроскопов и телескопов, перископов, проекторов, оптических систем связи и т.д. Интерференция волн - явление перераспределения энергии при наложении двух (или нескольких) когерентных (согласованных) волн, сопровождающееся возникновением интерференционной картины чередующихся максимумов и минимумов интенсивности (амплитуды) результирующей волны. Когерентными называются волны, для которых разность фаз в точке сложения остаётся неизменной во времени, но может изменяться от точки к точке и в пространстве. Если волны встречаются «в фазе», т.е. одновременно достигают максимального отклонения в одном направлении, то они усиливают друг друга, а если встречаются «в противофазе», т.е. одновременно достигают противоположных отклонений, то ослабляют друг друга. Согласование колебаний двух волн (когерентность) двух волн в случае света возможно, только если они имеют общее происхождение, что обусловлено особенностями процессов излучения. Исключение составляют лазеры, излучение которых характеризуется высокой когерентностью. Поэтому для наблюдения интерференции свет, идущий от одного источника делят на две группы волн, либо пропуская через два отверстия (щели) в непрозрачном экране, либо за счет отражения и преломления на границе сред в тонких пленках. Интерференционная картина от монохроматического источника (л =const) на экране для лучей, прошедших через две узкие близко расположенные щели, имеет вид чередующихся ярких и темных полос (опыт Юнга, 1801 г.). Яркие полосы - максимумы интенсивности наблюдаются в тех точках экрана, в которых волны от двух щелей встречаются «в фазе», т. е. их разность фаз:

, m =0,1,2,…, (3.10)

Это соответствует разности хода лучей, кратной целому числу длин волн л

, m =0,1,2,…, (3.11)

Темные полосы (взаимные погашения), т.е. минимумы интенсивности возникают в тех точках экрана, в которых волны встречаются «в противофазе», т. е. их разность фаз составляет:

, m =0,1,2,…, (3.12)

Это соответствует разности хода лучей, кратной нечетному числу полуволн:

, m =0,1,2,…. (3.13)

Интерференция наблюдается для различных волн. Интерференция белого света, включающего все волны видимого света в диапазоне длин волн мкм может проявляться в виде радужной окраски тонких пленок бензина на поверхности воды, мыльных пузырей, окисных пленок на поверхности металлов. Условия интерференционного максимума в разных точках пленки выполняются для разных волн с разной длиной волны, что приводит к усилению волн разного цвета. Условия интерференции определяются длиной волны, которая для видимого света составляет доли микрон (1 мкм = 10-6 м), поэтому данное явление лежит в основе различных прецизионных («сверхточных») методов исследования, контроля и измерения. На использовании интерференции основано использование интерферометров, интерференционных спектроскопов, а также метод голографии. Интерференция света используется для измерения длины волны излучения, исследования тонкой структуры спектральных линий, определения плотностей, показателей преломления веществ, толщины тонких покрытий.

Дифракция - совокупность явлений, возникающих при распространении волны в среде с резко выраженной неоднородностью свойств. Это наблюдается при прохождении волн через отверстие в экране, вблизи границы непрозрачных объектов и т.д. Дифракция приводит к огибанию волной препятствия, размеры которого соизмеримы с длиной волны. Если размер препятствия намного превышает длину волны, то дифракция проявляется слабо. На макроскопических препятствиях наблюдается дифракция звуковых, сейсмических волн, радиоволн, для которых 1смкм. Для наблюдения дифракции света препятствия должны иметь существенно меньшие размеры. Дифракцией звуковых волн объясняется возможность слышать голос человека, находящегося за углом дома. Дифракцией радиоволн вокруг поверхности Земли объясняется приём радиосигналов в диапазоне длинных и средних радиоволн далеко за пределами прямой видимости излучающей антенны.

Дифракция волн сопровождается их интерференцией, что приводит к формированию дифракционной картины, чередующихся максимумов и минимумов интенсивности. При похождении света через дифракционную решетку, представляющую собой совокупность чередующихся параллельных прозрачных и непрозрачных полос (до 1000 на 1мм), на экране возникает дифракционная картина, положение максимумов которой зависит от длины волны излучения. Это позволяет использовать дифракционную решетку для анализа спектрального состава излучения. Структура кристаллического вещества подобна трехмерной дифракционной решетки. Наблюдение дифракционной картины при прохождении рентгеновского излучения, пучка электронов или нейронов, через кристаллы, в которых упорядоченно расположены частицы вещества (атомы, ионы, молекулы), позволяет исследовать особенности их структуры. Характерной величиной для межатомных расстояний является d~10-10м, что соответствует длинам волн используемых излучений и делает их незаменимыми для кристаллографического анализа.

Дифракция света определяет предел разрешающей способности оптических приборов (телескопов, микроскопов и др.). Разрешающая способность - минимальное расстояние между двумя объектами, при котором они видны раздельно, не сливаются - разрешаются. Из-за дифракции изображение точечного источника (например, звезды в телескопе) имеет вид кружка, так что близко расположенные объекты не разрешаются. Разрешающая способность зависит от ряда параметров, в т. ч. от длины волны: чем меньше длина волны, тем лучше разрешение. Поэтому размер объекта, наблюдаемого в оптическом микроскопе, ограничен длиной световой волны ( приблизительно 0,5 мкм).

Явление интерференции и дифракции света лежат в основе принципа записи и воспроизведения изображения в голографии. В предложенном в 1948 году Д. Габором (1900 - 1979) методе фиксируется интерференционная картина, полученная при освещении объекта и фотопластинки когерентными лучами. Полученная голограмма представляет собой чередующиеся светлые и темные пятна, не имеющие сходства с объектом, однако, дифракция от голограммы световых волн, идентичных использовавшимся при ее записи, позволяет восстановить волну, рассеянную реальным объектом и получить его объемное изображение.

Поляризация - явление свойственное только поперечным волнам. Поперечность световых волн (как и любых других электромагнитных волн) выражается в том, что колеблющиеся в них векторы напряженности электрического () и индукции магнитного () полей перпендикулярны направлению распространения волны. Кроме того, эти векторы взаимно перпендикулярны, поэтому для полного описания состояния поляризации света требуется знать поведение лишь одного из них. Действие света на регистрирующие устройства определяется вектором напряженности электрического поля, который называют световым вектором.

Световые волны, испущенные естественным источником излучения т.е. множеством независимых атомов, являются не поляризованными, т.к. направление колебаний светового вектора () в естественном луче непрерывно и беспорядочно изменятся, оставаясь перпендикулярным вектору скорости волны.

Свет, у которого направление светового вектора остается неизменным, называется линейно поляризованным. Поляризация - упорядочение колебаний вектора. Примером может служить гармоническая волна. Для поляризации света используются устройства, называемые поляризаторами, действие которых основано на особенностях процессов отражения и преломления света, а так же на анизотропии оптических свойств вещества в кристаллическом состоянии. Световой вектор в луче, прошедшем через поляризатор, колеблется в плоскости называемой плоскостью поляризатора. При прохождении поляризованного света через второй поляризатор оказывается, что интенсивности прошедшего луча изменяется при вращении поляризатора. Свет проходит через прибор без поглощения, если его поляризация совпадает с плоскостью второго поляризатора и полностью им задерживается при повороте кристалла на 90 градусов, когда плоскость колебаний поляризованного света оказывается перпендикулярно плоскости второго поляризатора.

Поляризация света нашла широкое применение в различных отраслях научных исследований и техники. она используется в микроскопических исследованиях, в процессах звукозаписи, оптической локации, скоростной кино- и фотосъемке, в пищевой промышленности (сахариметрия) и т.д.

Дисперсия - зависимость скорости распространения волн от их частоты (длины волны). Дисперсия определяется физическими свойствами той среды, в которой распространяются волны. Например, в вакууме электромагнитные волны распространяются без дисперсии, в вещественной же среде, даже в такой разреженной, как ионосфера Земли, возникает дисперсия. Звуковые и ультразвуковые волны также обнаруживают дисперсию. При распространении их в среде гармонические волны разных частот, на которые может быть разложен сигнал, распространяются с различной скоростью, что приводит к искажению формы сигналов. Дисперсия света - зависимость показателя преломления вещества от частоты (длины волны) света. При изменении скорости света в зависимости от частоты (длины волны) показатель преломления меняется. В следствии дисперсии белый свет, состоящий из множества волн различной частоты, при прохождении сквозь прозрачную трехгранную призму разлагается и образуется сплошной (непрерывный) спектр. Изучение этого спектра привело И. Ньютона (1672) к открытию дисперсии света. Для веществ, прозрачных в данной области спектра, показатель преломления увеличивается с увеличением частоты (уменьшением длины волны), чему и соответствует распределение цветов в спектре. Наибольший показатель преломления оказывается для фиолетового света (=0,38 мкм), наименьший у красного (=0,76 мкм). Подобное явление наблюдается в природе при распространении солнечного света в атмосфере и его преломлении в частицах воды (летом) и льда (зимой). При этом возникает радуга или солнечное гало.

Эффект Доплера. Эффект Доплера - изменение частоты или длины волн, воспринимаемых наблюдателем (приёмником), вследствие движения источника волн и наблюдателя относительно друг друга. Скорость волны определяется свойствами среды и при движении источника или наблюдателя не меняется. Если наблюдатель или источник волн движется со скоростью относительно среды, то частота v принимаемых волн становится иной. При этом, как установил К. Доплер (1803 - 1853), при приближении наблюдателя к источнику частота волн увеличивается, а при удалении - уменьшается. Это соответствует уменьшению длины волны л при сближении источника и наблюдателя и увеличению л при их взаимном удалении. Для звуковых волн Эффект Доплера проявляется в повышении тона звука, когда источник звука и наблюдатель сближаются (за 1 сек наблюдатель воспринимает большее число волн), и соответственно в понижении тона звука, когда они удаляются. Эффект Доплера обуславливает и «красное смещение», что описано выше. - понижение частот электромагнитного излучения от движущегося источника. Это название связано с тем, что в видимой части спектра в результате эффекта Доплера линии оказываются смещенными к красному концу; «красное смещение» наблюдается и в излучениях любых других частот, например в радиодиапазоне. Противоположный эффект, связанный с повышением частот, называется синим (или фиолетовым) смещением. В астрофизике рассматриваются два «красных смещения» - космологическое и гравитационное. Космологическим (метагалактическим) называют «красное смещение», наблюдаемое для всех далёких источников (галактик, квазаров) - понижение частот излучения, свидетельствующее об удалении этих источников друг от друга и, в частности, от нашей Галактики, т. е. о нестационарности (расширении) Метагалактики. «Красное смещение» для галактик было обнаружено американским астрономом В. Слайфером в 1912-14; в 1929 Э. Хаббл открыл, что для далёких галактик оно больше, чем для близких, и возрастает приблизительно пропорционально расстоянию. Это позволило выявить закон взаимного удаления (разбегания) галактик. Закон Хаббла в этом случае записывается в форме:

u = Hr; (3.14)

(u - скорость удаления галактики, r - расстояние до нее, Н - постоянная Хаббла). Определяя по величине «красного смещения» скорость удаления галактики можно рассчитать расстояние до нее. Для определения расстояний до внегалактических объектов по этой формуле нужно знать численное значение постоянной Хаббла Н. Знание этой постоянной очень важно и для космологии: с ней связано определение «возраста» Вселенной. В начале семидесятых годов двадцатого века для постоянной Хаббла принято значение Н = (3 - 5)*10 -18 с -1, обратная величина Т = 1/Н = 18 млрд. лет. Гравитационное «красное смещение» является следствием замедления темпа времени и обусловлено гравитационным полем (эффект общей теории относительности). Это явление называется также эффектом Эйнштейна или обобщённым эффектом Доплера. Оно наблюдалось начиная с 1919 сначала в излучении Солнца, а затем и некоторых других звёзд. В ряде случаев (например, при гравитационном коллапсе) должно наблюдаться «красное смещение» обоих типов.

4. Фундаментальные свойства материального мира

Понятие материи как неуничтожимой и несотворимой основы всего сущего сложилось еще во времена античности. С другой стороны, наблюдение постоянных изменений в природе приводило к представлению о вечном движении материи как важнейшем ее свойстве. Идея «сохранения» появилась в науке как чисто философская догадка о наличии чего-то стабильного в вечно меняющемся мире. Единство изменения и сохранения находит выражение в понятии «симметрия». Симметрия - инвариантность (неизменность) объекта по отношению к наложенным на него преобразованиям. Преобразования, дающие симметричный объект, называются симметричными. Уровень симметрии определяется количеством (спектром) возможных симметричных преобразований. Чем однородней, равновесней система, т.е. чем соразмерней ее части, тем больше число возможных для нее симметричных преобразований, т.е. тем она более симметрична. Поэтому представление о симметрии связывают с равновесностью и соразмерностью частей системы. Симметрия физических систем проявляется в существовании законов сохранения. Сначала законы сохранения, как и принцип относительности, были установлены опытным путем, обобщением огромного количества экспериментальных фактов. Значительно позднее пришло понимание глубокой взаимосвязи этих законов со свойствами симметрии физических систем, что позволило осмыслить их всеобщность. При этом симметрия понимается как инвариантность законов, входящих в них величин и описываемых ими свойств природных объектов относительно некоторой группы преобразований при переходе от одной системы отсчета к другой. Например, в специальной теории относительности для всех инерциальных систем отсчета, движущихся с разными скоростями, инвариантны скорость света в вакууме, электрический заряд, законы природы.

Наличие симметрии приводит к тому, что для данной системы существует сохраняющаяся величина. Таким образом, если известны свойства симметрии системы, можно определить для нее законы сохранения и наоборот.

Связь между симметрией пространства-времени и фундаментальными законами сохранения установила в начале XX в. Э. Нётер (1882 - 1935). Пространство и время однородны, а следовательно, симметричны относительно произвольных сдвигов начала отсчета. Изотропность пространства делает его симметричным относительно поворота координатных осей.

Важнейшая симметрия природы была выявлена в релятивистской теории: все явления природы инвариантны относительно сдвигов, поворотов и отражений в едином четырехмерном пространстве-времени. Данные симметрии по своей сути являются «глобальными», охватывающими все пространство-время. Законы сохранения, обусловленные глобальной симметрией, являются фундаментальнейшими законами природы. К ним относятся:

- закон сохранения импульса, связанный с однородностью пространства;

- закон сохранения момента импульса, связанный с изотропностью пространства;

- закон сохранения энергии, связанный с однородностью времени.

Таким образом, каждому преобразованию глобальной симметрии пространства-времени соответствует закон сохранения определенной величины. Данные законы выполняются для замкнутых систем, тела которых взаимодействуют между собой, а внешние воздействия скомпенсированы.

Законы сохранения.

Закон сохранения импульса. Как указано выше, импульсом называется произведение массы частицы на её скорость (2.5). Закон сохранения импульса: в замкнутой системе тел суммарный импульс (векторная сумма импульсов, входящих в систему тел) есть величина постоянная.

Данный закон выполняется как в макромире, где позволяет рассмотреть взаимодействия тел при ударе и определяет возможность движения тел без опоры - реактивного движения, так и в микромире, при взаимодействиях микрообъектов. Это дает возможность определять характеристики и изучать особенности превращения микрочастиц по фотографиям их столкновений (методом толстослойных фотоэмульсий).

Закон сохранения момента импульса. В классической механике моментом импульса частицы относительно точки называется векторное произведение радиуса-вектора частицы на ее импульс:

. (4.1)

Закон сохранения момента импульса : в замкнутой системе тел суммарный момент импульса относительно неподвижной точки есть величина постоянная.

Момент импульса важнейшая характеристика вращающихся систем, связывающая распределение массы объекта и скорость его вращения. Изменение распределения массы в такой системе вследствие закона сохранения момента импульса приводит к изменению быстроты вращения. Движение фигуристки резко ускоряется, когда она прижимает к груди ранее разведенные в стороны руки.

Вращение - одно из наиболее общих свойств космических объектов различных уровней. Планеты, их спутники, звезды вращаются вокруг своих осей. Спутники обращаются вокруг планет, планеты - вокруг Солнца, Солнечная система - вокруг центра Галактики и т.д. Данные явления объясняются сохранением результирующего момента импульса систем, которым они обладали при возникновении, например вследствие неравномерности распределения частиц вещества.

Закон сохранения момента импульса позволяет количественно описать движение всех небесных тел в центральном поле тяготения, создаваемом Солнцем. Применяя его, можно получить второй закон Кеплера, описывающий изменение скорости планеты при ее движении по эллиптической орбите вокруг Солнца, а также объяснить резкое увеличение скорости комет при их приближении к Солнцу.

Микрообъекты обладают изначально присущим им собственным моментом импульса, не связанным с движением, - спином. Спин является одной из важнейших характеристик микрочастиц, имеющей чисто квантовую природу, а поэтому принимающую лишь определенный дискретный набор разрешенных значений. По величине спина микрочастицы делятся на частицы с целым спином - бозоны и частицы с полуцелым спином - фермионы. К бозонам относится, например, фотон, а фермионами являются электрон, протон, нейтрон. Закон сохранения момента импульса распространяется и на микромир, спин также является сохраняющейся величиной.

Закон сохранения энергии. Идея единства различных форм движения материи, их взаимного превращения привело к формированию понятия энергии как единой меры различных форм движения материи. Данное понятие связывает воедино все явления природы. При этом в соответствии с различными формами движения рассматривают разные формы энергии: механическую, внутреннюю, электромагнитную, ядерную и др. Энергия характеризует систему относительно возможных в ней превращений одних форм движения в другие.

Закон сохранения энергии: в замкнутой системе энергия может превращаться из одной формы в другую, переходить от одних тел к другим, но ее суммарная величина остается неизменной.

Таким образом, энергия не исчезает и не создается из ничего, она может изменяться лишь при взаимодействии системы с другими объектами. При этом изменение энергии системы тел при переходе из одного состояния в другое не зависит от того, каким способом осуществляется этот переход, следовательно, энергия - однозначная функция состояния системы.

В макромире энергия любой системы меняется непрерывно и может принимать любые значения. В микромире, если движение частицы ограничено в пространстве, ее энергия имеет дискретный спектр, то есть для взаимодействующего микрообъекта возможны лишь определенные значения энергии.

Релятивистская механика связала массу тела (m) с его полной энергией (Е) в отсутствии внешних полей

Е=mc2,

где с - скорость света в вакууме.

Это привело к объединению законов сохранения энергии и массы, раздельно существовавших в классической механике.

Фундаментальные взаимодействия.

Взаимодействие - категория, отражающая процессы воздействия объектов друг на друга, их взаимную обусловленность и порождение одного объекта другим. Взаимодействие - объективная и универсальная форма движения и развития, определяет существование и организацию любой материальной системы.

Все явления макромира обусловлены двумя видами взаимодействия: гравитационным и электромагнитным. Эти взаимодействия способны к распространению на очень большие расстояния (R > ?), поэтому существенны и в астрономических масштабах. При этом достаточно слабое для тел макромира гравитационное взаимодействие оказывается определяющим в галактических масштабах, где взаимодействуют чрезвычайно массивные объекты. Структура мегамира формируется, по-видимому, главным образом именно гравитационным взаимодействием. Электромагнитное взаимодействие, реализующееся между частицами, несущими электрический заряд, обуславливает и устойчивость атома, и атомно-молекулярную структуру вещества, т.е. существенно для явлений микромира. Гравитационное взаимодействие между микрообъектами пренебрежимо мало.

Проникновение в мир элементарных частиц в первой половине ХХ в. привело к открытию двух новых типов взаимодействия, проявляющихся только на очень малых расстояниях и получивших названия «сильное» и «слабое».

За формирование и устойчивость атомного ядра из нуклонов (протонов +p и нейтронов 0n ) ответственно сильное взаимодействие. Оно не зависит от электрического заряда и гораздо интенсивнее электромагнитного, поэтому положительные протоны удерживаются друг около друга несмотря на электрическое отталкивание, тоже существенное на таком малом расстоянии.

...