Концепции современного естествознания

Тема 1. ЕСТЕСТВЕННОНАУЧНАЯ И ГУМАНИТАРНАЯ КУЛЬТУРА. НАУЧНЫЙ МЕТОД

1. ЕСТЕСТВЕННОНАУЧНАЯ И ГУМАНИТАРНАЯ КУЛЬТУРЫ

Культура - в широком смысле есть совокупность созданных человеком материальных и духовных ценностей, а также сама человеческая способность эти ценности производить и использовать. Соответственно различают культуру материальную и духовную.

Одним из важнейших компонентов духовной культуры является наука.

В начале 20 век сложилось устойчивое представление о «2-ух культурах науки» - естественнонаучной (системе знаний о природе) и гуманитарной (система знаний о ценностях бытия человека и общества).

Впервые эту идею выдвинули представители неокатетианства (Виндельбанд, Риккерт) и философ жизни - Дильтей. Такое различие обусловлено спецификой объектов изучения этих наук.

КРИТЕРИИ РАЗЛИЧИЯ:

- объект исследования (естественная наука - природа; гуманитарная наука - человек, общество);

- метод исследования (естественная наука - «генерализирующий метод», т.к. ориентировано на общее, универсальное, а индивидуальное не имеет для них значения; гуманитарная наука - «индивидуализирующий метод», т.к. для них характерен интерес к индивидуальному, конкретному, уникальному);

- ведущая функция. Главная функция естественной науки - объяснение, т.к. все явления природы обусловлены и закономерны. Гуманитарная наука имеет дело с историческими событиями, человеческими чувствами, ценностями и т.д., которые подлежат пониманию.

- гуманитарные науки идеологизированы, т.е. могут отражать интересы каких-либо социальных групп, классов, наций.

- естественные науки, имеющие своим объектом природу, идеологически нейтральны.

- количественные и качественные характеристики. Естественные науки делают упор на объективную количественную характеристику объектов. В гуманитарных науках преобладают качественные характеристики.

Но эти различия не отменяют взаимосвязи этих наук, комплексные исследования на основе взаимодействия естественных и гуманитарных наук активно проводятся сегодня при исследовании биосферы, глобальных проблем и т.д.

ОСОБЕННОСТИ НАУЧНОГО ПОЗНАНИЯ:

Наука - система знаний и деятельность людей, направленная на достижение объективных истинных знаний о действительности.

1. Научное познание предлагает не только описание, но и объяснение фактов, выявление всего комплекса причин, порождающих явление;

2. Наука ориентирована на получение такого нового знания, истинность которого не просто утверждается, но и доказывается;

3. Научное познание нацелено на объективность открываемых истин (независимость от сознания человечества), т.е. на получение таких знаний, содержание которых не зависит не от человека, не от человечества.

4. Осознание методов, посредством которых исследуется объект, контроль над самой процедурой получения нового знания.

5. Научное познание характеризуется систематизированностью, а также логической выводимостью одних знаний из других.

6. Выработка специального языка науки: четко фиксирующего смысл и значение понятий.

2. ДИСЦИПЛИНАРНАЯ ОРГАНИЗАЦИЯ НАУКИ

Современная наука - совокупность отдельных научных отраслей, которые по предмету своих исследований делятся на:

1.естесственные, изучающие природу, её законы, способы освоения природы (химия, физика, биология). Заняты фундаментальными исследованиями.

2. общественные науки, изучают общество и различные общественные явления, законы их развития самого человека, как социального существа, различные общности людей и т.д. Среди общественных наук выделяют социально- научные дисциплины (экономика, этнография, демография и др.) и выделяют гуманитарные, предметом которых выступают групповые ценности, идеалы, нормы и правила мышления и поведения (этика, правоведение, религовеедение, искусствоведение).

3.технические науки изучают законы создания и функционирования сложных технических систем и функции в производственной и иной деятельности людей (радиотехника), как правило, являются прикладными.

3. УРОВНИ И МЕТОДЫ НАУЧНОГО ПОЗНАНИЯ

В структуре научного познания выделяют 2 метода: эмпирический и теоретический. Они отличаются по методам исследования и характеру полученного знания.

ЭМПИРИЧЕСКИЙ УРОВЕНЬ:

Основан на непосредственном существенно-практического взаимодействии исследователя с изучаемым объектом. На этом уровне происходит накопление, фиксация, обобщение фактического материала для построения теорий.

Основными формами знания являются: научный факт и эмпирическое обобщение.

МЕТОДЫ ПОЗНАНИЯ:

Метод - способ достижения какой-либо цели, система правил и приемов познавательной и практической деятельности.

1. Наблюдение, измерение, сравнение, эксперимент.

Наблюдение - целенаправленное и организованное воспроизведение предметов и явлений окружающего мира. Оно осуществляется без какого-либо изменения изучаемых предметов и явлений и вмешательства наблюдателя в нормальный процесс их протекания.

Измерение - сравнение объектов исследования по каким-нибудь сходным свойствам и сторонам.

Эксперимент - используется, когда необходима информация о предмете. Это такой метод научного исследования, который предполагает активное целенаправленное и строгоконтролируемое воздействие исследователя на изучаемый объект с целью получения информации о его свойствах и связях.

ТЕОРЕТИЧЕСКИЙ УРОВЕНЬ:

Связан с предметами и явлениями внешнего мира опосредованно через эмпирический уровень. На этом уровне происходит раскрытие наиболее глубоких, существенных сторон, связей, закономерностей, присущих изучаемым объектам и явлениям.

ФОРМЫ ЗНАНИЯ: гипотезы, теории, законы.

МЕТОДЫ: 1. Формализация - метод исследования, который заключается в использовании специальной символики, позволяющей отвлечься от изучения реальных объектов и оперировать вместо этого некоторым множеством символов (знаков).

2. Аксиоматический метод - построение теорий на основе аксиом - утверждений, не требующих доказательства их истинности (например, геометрия Евклида)

3. Гипотетико-дедуктивный метод - создание системы дедуктивно связанных между собой гипотез, из которых выводится утверждения об эмпирических фактах.

А также: системный, структурно-функциональный, математического моделирования.

4. ОБЩЕНАУЧНЫЕ МЕТОДЫ

Применяются на всех уровнях научного познания: анализ - мысленное расчленение объекта на составные элементы с целью их всестороннего изучения; синтез - объединение отдельных элементов в единое целое; абстрагирование - отвлечение от ряда несущественных для данного исследования свойств и отношений изучаемого явления с одновременным выделением интересующих свойств и отношений; моделирование - исследование моделей, замещающих оригинал с определенных сторон, интересующих исследователя.; индукция - метод исследования, при котором общий вывод строится из частных посылов; дедукция - метод исследования, посредством которого из общих посылок следует заключение частного характера.

Тема 2. ЛОГИКА И ЗАКОНОМЕРНОСТИ РАЗВИТИЯ НАУКИ. СОВРЕМЕННАЯ НАУЧНАЯ КАРТИНА МИРА

1. ДИФФЕРЕНЦИАЦИЯ, ИНТЕГРАЦИЯ И МАТЕМАТИЗАЦИЯ В СОВРЕМЕННОЙ НАУКЕ

Дифференциация - создание новых научных отраслей в результате расчленения традиционных наук на новые (например, из некогда единой науки о живых организмах выделились экология, цитология, физиология, генетика). В свою очередь новая наука генетика предстает в разных видах: эволюционная, молекулярная, популяционная.

Дифференциация носит в целом прогрессивный характер, способствуя более тщательному и глубокому изучению отдельных явлений и процессов определенной области деятельности, но этот процесс имеет и негативный момент - чрезмерная дифференциация заслоняет от исследователя цельный образ изучаемого предмета, характеризующие его общие закономерности. Это ведет к разобщенности научных знаний. Этот недостаток восполняется противоположной тенденцией - интеграцией знаний (20 в.). Интеграция характеризуется:

1. Комплексом взаимодействия наук, на основе изучения единого объекта, созданием общенаучных теорий (квантовая механика, теория электромагнетизма и т.д.).

2. Образованием междисциплинарных наук, находящихся на стыке нескольких традиционных наук (биофизика, геохимия и др.).

В последнее время тенденция к интеграции наук становится ведущей.

Математизация - особая роль математики в естествознании, обусловленная тем, что она является всеобщим универсальным языком для различных естественных наук, пронизывает все основные стадии современного естественнонаучного процесса познания, такие как

- сбор и обработка количественной информации;

- возможность проверки гипотез, лежащих в основе законов;

- построение математического аппарата;

- моделирование природных процессов и явлений.

По мере своего развития естествознания использует все более совершенный математический арсенал высшей математики: дифференциация и интеграция исчисления, дифференцированные уравнения, математическую статику.

2. НАУЧНАЯ КАРТИНА МИРА. ПРИНЦИПЫ И ОСОБЕННОСТИ ЕЕ РАЗВИТИЯ

Естественнонаучная картина мира - часть общей научной картины мира, включающая систему представлений о природе, складывающихся в результате синтеза достижений естественных наук. Она содержит представления о живой и неживой природе. В структуре естественнонаучной картины мира выделяют также специальные научные картины мира отдельных наук, представляющих систему знаний о фрагменте материального мира, который изучается в данной науке ее методами - физическая, астрономическая, биологическая картины мира.

ОСОБЕННОСТИ СОВРЕМЕННОЙ ЕСТЕСТВЕННОНАУЧНОЙ КАРТИНЫ МИРА:

1. системность. Означает, во-первых, что Вселенная рассматривается как наиболее крупная из всех систем, состоящая из множества элементов, подсистем разного уровня, сложности; во-вторых, иерархичность - включение систем нижних уровней в системы более высоких уровней.

2. глобальный (универсальный) эволюционизм - распространение принципа эволюции на все сферы действительности: от элементарных частиц до космических систем. Эта концепция позволяет рассматривать неорганическую природу, мир живого (органическую природу) и человеческого социума как единый эволюционный процесс.

3. самоорганизация (синергетика пронизывает все области знания) - способность материи к самоусложнению и созданию все более упорядоченных структур в ходе эволюции.

Синергетика (теория самоорганизации) появилась в 70-е годы 20 в. Основатели - Хакен, И. Пригожин. Главная идея - это идея о принципиальной возможности спонтанного возникновения порядка и организации из беспорядка и хаоса в результате процесса самоорганизации. Предметом синергетики являются сложные самоорганизующиеся системы.

СВОЙСТВА САМООРГАНИЗУЮЩИХСЯ СИСТЕМ:

1. открытость. Большинство известных систем являются открытыми, т.е. они обмениваются энергией, веществом, информацией с окружающей средой, в ходе которого происходит приспособление всех элементов системы к изменяющимся условиям её существования.

2. неравновесность. Открытые системы являются неравновесными, т.е. они находятся в состоянии далеком от термодинамического равновесия. В неравновесных системах вместо ожидаемого хаоса и беспорядка наблюдаются эффекты упорядоченности и самоорганизации. Под самоорганизацией при этом понимается спонтанный переход открытой неравновесной системы к более упорядоченным формам организации (например, наглядным примером является механизм действия лазера).

Возникновение порядка происходит через флуктуации, т.е. случайных отклонений системы от некоторого среднего состояния.

Флуктуации расшатывают прежнюю структуру и приводят к новой. Этот переход характеризуют как возникновение порядка из хаоса. Иногда эти флуктуации могут усиливаться, и тогда существующая организация не выдерживает и разрушается. В такие переломные моменты (точки бифуркации) дальнейшая эволюция системы непредсказуема. Возможен лишь вероятностный прогноз нескольких альтернативных вариантов дальнейшего протекания событий. Ключевую роль играет случайность. Из-за действия случайности невозможно предугадать дальнейшее развитие.

Процесс возникновения. Бифуркация делает эволюцию неравновесную систему скачкообразной и нелинейной, а отсюда следует, что стержнем качественных изменений, произошедших в современных представлениях о природе и мире в целом, является признание неустойчивости и нестабильности в качестве фундаментальных характеристик мировоззрения.

Согласно современным представлениям синергетики мир построен на ожидании непрерывных кризисов (точек бифуркации), моментов, когда приходится принимать, то или иное решение.

3. НАУЧНЫЕ РЕВОЛЮЦИИ

Научные картины мира сменяются одна за другой.

Научная революция - радикальная смена научной картины мира - это процесс перехода от одного способа познания к другому, отражающий более глубинные связи и отношения природы. Таких радикальных смен научных картин мира, т.е. научных революций в истории науки можно выделить три:

1.Аристотелевская; 6-5 в. До н.э.

В 6-5 в. До н.э. была осуществлена первая революция в познании мира, в результате которой и появилась на свет сама наука. Исторический смысл этой революции состоит в отличении науки от других форм познания мира, в создании определенных норм и образцов построения научного знания. В этот период создаются математические модели, формируются ценные идеи ряда будущих наук (физики, биологии и др.). Первую универсальную систему мира создал Аристотель. В ней были объединены систематизированные и логически развитые все накопленные знания о природе. Аристотель впервые попытался дать классификацию наук, создал космологическое учение, в основе которого геоцентрическая модель мира - земля имеет форму шара и является центром Вселенной. Это учение Аристотеля впоследствии обоснованное Птолемеем заняло господствующее положение в космологии до 16 в. Все дальнейшее развитие науки как в античности так и в средние века в Европе осуществлялось в рамках учения Аристотеля.

2.Ньютоновская. Означает возникновение нового естествознания, связанного с именами Коперника, Кеплера, Ньютона.

1) Разработана гелиоцентрическая картина мира Коперника - Земля не является центром Вселенной. Она вращается вокруг своей оси и вместе с другими планетами - вокруг Солнца.

2) 16 - 17 вв. - период преимущественного развития механики. Возникает новая тенденция - сведение всех знаний о природе к фундаментальным принципам и представлениям механики. Формируется механистическая картина мира, становление которой связано с именем Галилея. Он первым возвел механику на уровень теоретической науки. Ввел в механику точный количественный эксперимент и математическое описание явлений.

Ньютон создал систему классической механики, определившей лицо естествознания вплоть до20 в.

ОН сформулировал 3 основных закона динамики, которые легли в основу механики как науки и закон всемирного тяготения. Создал (одновременно с Лейбницем) принцип дифференциации и интеграции исчислений, который стал математической базой всего современного естествознания.

Итогом Ньютоновской революции явилась механистическая картина мира на базе экспериментально-математического естествознания.

3.Эйнштейновская. Конец 19-го - начало 20-го века.

В начале 20 века на смену классической механике пришла новая фундаментальная теория. Она была следствием ряда научных открытий конца19-го - начала 20-го века.

- открытие электрона Томпсоном;

- рентгеновские лучи;

- явление радиоактивности (Беккерель);

- экспериментальное обнаружение электромагнитных волн (Герц);

- создание Периодической системы химических элементов Менделеева.

Появляются принципиально новые фундаментальные теории:

1. Теория относительности - новая теория пространства, времени и тяготения.

2. Квантовая механика, обнаружившая вероятностный характер законов микромира.

Они позволили объяснить многие физические явления, которые не укладывались в рамках классической механики.

Вывод: Таким образом, открытия в физике конца 19-го - начала 20-го века окончательно разрушили прежнюю механистическую картину мира. Наступил новый этап неклассического естествознания 20-го века, характеризующийся новыми квантовыми релятивистскими представлениями о физической реальности.

Тема 3. КУЛЬТУРНЫЙ УРОВЕНЬ ОРГАНИЗАЦИИ МАТЕРИИ

1. СИСТЕМНО-СТРУКТУРНЫЙ ХАРАКТЕР ОРГАНИЗАЦИИ МАТЕРИИ

В основе современных представлений об организации материи лежит системный подход. С этой точки зрения любой объект материального мира может быть рассмотрен в качестве системы.

Система - совокупность элементов и связей между ними, образующие определенную целостность.

Элемент - означает неразложимый компонент, входящий в состав определенной системы.

Неделимое в одной системе может оказаться делимым в другой системе, например, макротело можно рассматривать как определенную систему молекул, но любая молекула также является системой, т.к. состоит из атомов и определенной связи между ними, но атом также представляет собой систему (ядро + электронная оболочка). Ядро каждого атома имеет свою внутреннюю структуру и т.д.

Структура - совокупность связей между элементами системы.

Итак, все природные объекты объединены в классы материальных систем, в естествознании выделяют 2 класса материальных систем:

- система неживой природы;

- система живой природы.

Неживая природа имеет следующие структурные уровни:

- микроэлементарный (элементарные частицы, физический вакуум);

- атомарный;

- молекулярный;

- макроскопические тела;

- планеты и планетарные системы;

- галактики (звезды и звездные системы);

- система галактик - Метагалактика.

Живая природа:

- доклеточный уровень (белки, нуклеиновые кислоты);

- клеточный уровень;

- многоклеточные организмы (животные и растения);

- популяции;

- биоценозы;

- биосфера.

С точки зрения системного подхода существуют структуры различного масштаба. В зависимости от размеров структур выделяют 3 уровня строения материи:

2. МАКРОМИР

Включает объекты, окружающие нас в повседневной жизни, пространственные величины выражаются здесь в количественных мерах, а время в секундах, минутах, часах.

МИКРОМИР - мир чрезвычайно малых частиц, которые непосредственно ненаблюдаемы.

Пространственные частицы (от 10?⁸ до10^-16 см)

Время жизни (от ? до 10?²⁴ с).

3. МЕГАМИР

Космические объекты. Расстояние измеряется световыми годами, время - миллионами и миллиардами лет.

4. МАКРОМИР: КОНЦЕПЦИИ КЛАССИЧЕСКОГО ЕСТЕСТВОЗНАНИЯ

Закономерности движения тел, составляющих микромир, описываются классической физикой, в основе которой лежат законы классической механики Галилея - Платона.

Классическая механика объясняла все явления природы механическим перемещение тел.

Абсолютизация законов механики привела к созданию механистической картины мира, с точки, зрения которой 1. материя отождествлялась с веществом, состоящим из неделимых мельчайших частиц - атомов или корпускул. 2. пространство и время рассматривались в отрыве друг от друга и от движения материальных тел. 3. движение рассматривалось лишь как механическое перемещение тел в соответствии с законами механики. 4. действие тел друг на друга передается мгновенно через пустоту на сколь угодно долгие расстояния (принцип дальнодействия). 5. принцип механического детерминизма: все механические процессы связаны между собой такими причинно-следственными связями, таким образом, что значение координат и импульсов всех частиц в данный момент времени совершенно однозначно определяет его состояние в любой прошедший или будущий момент.

Дальний принцип придавал универсальный характер законам механики отвергал существование случайности в природе.

Классическая механика объясняет большинство физических явлений и процессов в земных и наземных условиях.

Долгое время считалось. Что она может дать теоретическое объяснение любых явлений природы, но последующие открытия в науке обнаружили, что в рамках классической механики возникли трудности, в частности, в объяснении оптических и электромагнитных явлений.

Оптика: в конце 17 века возникли 2 противоположных подхода к объяснению природы света:

1. Корпускулярная теория Ньютона, согласно которой свет представляет собой поток материальных частиц - корпускул, испускаемых светящимися телами и летящими по прямолинейным траекториям, согласно законам механики.

Эта теория объясняла многие явления, но испытывала трудности в объяснении явлений интерференции (явление усиления или ослабления света при наложении световых пучков друг на друга), дифракции (огибание светом препятствий).

Одновременно голландский ученый Гюйгенс выдвинул волновую теорию, согласно которой свет представляет собой волну, распространение которой аналогично распространению волн на поверхности воды. Особой средой для распространения волн он считал эфир.

Но авторитет Ньютона способствовал тому, что большинство ученых придерживалось корпускулярной теории света.

Но в начале 19-го века с критикой корпускулярной теории выступили Юнг и Френель, которые объяснили явления дифракции и интерференции с позиции волновой теории.

В результате волновая теория получила экспериментальное подтверждение.

Электромагнитные явления:

Одновременно с возникновением волновой теории создается электромагнитная теория света. Решающую роль в этом сыграло изучение электромагнитных процессов.

В 1820 году Эрстет обнаружил, что электрический ток создает вокруг себя электромагнитное поле. Позже Фарадей высказал предположение о единстве электрических и магнитных явлений. Открыл явление электромагнитной индукции и ввел в науку понятие «поля». Это понятие противоречило представлениям классической физики о материи, как совокупности атомов.

На основе экспериментальных данных Фарадея в 60-е годы 19-го века Максвелл создал единую теорию электромагнитного поля.

Было установлено, что электромагнитные волны распространяются в пространстве со скоростью света. Оказалось, что свет - это электромагнитные волны определенной длины. Герц экспериментально обнаружил электромагнитные волны. Представление о том, что свет является электромагнитной волной, получило всеобщее признание. Таким образом, было открыто поле.

В конце 19-го века утвердилось понятие поля как особого вида материи, свойства которого невозможно объяснить механистическими закономерностями. Материя существует в 2-ух видах - вещества и поля, вместе с тем, у них выделялись существенные различные свойства:

1. способ распространения: вещество дискретно (прерывно), поле - непрерывно.

2. вещество обладает массой покоя, а поле - нет.

3. вещество может двигаться с разной скоростью, на всегда на много порядков меньше скорости света. Поле распространяется с постоянной скоростью приближенно равной скорости света (300 000 км/с)

4. вещество мало проницаемо, поле проницаемо.

Итак, в классической физике вещество и поле рассматриваются отдельными друг от друга как 2 качественно своеобразных вида материи. Однако, с развитием физики противопоставление вещества и поля в классической физике сменилось пониманием их взаимосвязей и взаимодействия между ними в современной физике.

Тема 4. МИКРОМИР: КОНЦЕПЦИИ СОВРЕМЕННОЙ ФИЗИКИ (квантовая физика)

1. КВАНТОВОМЕХАНИЧЕСКАЯ КОНЦЕПЦИЯ ОПИСАНИЯ МИКРОМИРА

Понятие и принципы классической физики оказались неприемлемыми и к исследованию физических свойств мельчайших частиц материи, которые называют микрообъектами (электроны, протоны, нейтроны и др.). Они образуют невидимый для нас микромир, поэтому свойства видимого нами микромира не похожи на свойства объектов макромира. Это привело к созданию новой науки - квантовой механики, изучающей законы движения и взаимодействия объектов микромира.

Оказалось, что на микроуровне одни и те же объекты обнаруживают как корпускулярные, так и волновые свойства (Макс Планк 1900 год - год рождения квантовой механики). Макс Планк изучал процесс излучения абсолютно черного тела, он пришел к выводу, что излучение энергии происходит не непрерывно - отдельными дискретными порциями - квантами.

Позднее эта гипотеза была обоснована Эйнштейном, который создал квантовую теорию света. В 1905 году он применил квантовые представления при объяснении фотоэффекта (нобелевская премия), понял, что свет имеет прерывистую структуру. Он назвал его фотоном.

Это означало признание корпускулярных свойств света.

Возникала парадоксальная ситуация: в одних опытах (фотоэффект) свет обнаруживал корпускулярные свойства, в других (дифракция, интерференция) - волновые свойства. Это означало, что свет имеет сложную природу, обладая одновременно корпускулярными и волновыми свойствами - корпускулярно-волновой дуализм (двойная природа света).

Дэвисон и Джермер экспериментально доказали, что частицы также обладают корпускулярно-волновую теорию.

В 1924 году французский физик Луи де Бройль выдвинул идею об универсальности корпускулярно-волнового дуализма, предположив, что не только фотоны, но и электроны и любые другие частицы материи наряду с корпускулярными обладают также волновыми свойствами.

В 1927 году эту гипотезу экспериментально подтвердили Дэвисон и Джермер. После этого признание корпускулярно-волнового дуализма в современной физике стало всеобщим.

Итак, всем микрообъектам присущи и корпускулярные и волновые свойства. Для них существует потенциальная возможность проявить себя в зависимости от внешних условий либо в виде волны, либо в виде частицы. На основе этих представлений в 1927 году физик Бор сформулировал принцип дополнительности, согласно которому волновые и корпускулярные описания процессов в микромире не исключают, а взаимодополняют друг друга. Поэтому полную информацию о свойствах микрообъекта можно получить только при учете и корпускулярной и волновой картин, они взаимно дополняют друг друга.

В 1927 году Гейзенберг выдвинул принцип неопределенности, согласно которому невозможно одновременно точно определить координаты, т.е. местоположение и ее импульс.

В классической физике предлагается, что всякая частица, движущаяся по определенной траектории, поэтому в любой момент времени можно точно фиксировать ее координаты и импульс, микрочастицы же из-за наличия у них волновых свойств, не движутся по определенной траектории, поэтому если мы получим точное значение одной величины, то другая остается полностью неопределенной и наоборот. Таким образом, для микрочастиц не существует состояния, при котором ее координаты и импульс имели бы одновременно точное значение. С точки зрения квантовой механики предсказание поведения микрообъектов имеет вероятностный характер. Законы квантовой физики - статистические, законы классической физики - динамики.

2. АТОМИСТИЧЕСКАЯ КОНЦЕПЦИЯ СТРОЕНИЯ МАТЕРИИ

Атомистическая гипотеза строения материи выдвинута в античности Демокритом. В 18 веке доказана реальность существования атомов. Но вопрос о внутреннем строении атомов не возникал, т.к. они считались неделимыми.

Исследования строения атома началось с открытия в 1790 году Томпсоном электрона. Он предложил первую модель атома, согласно которой электроны плавают внутри положительно заряженной сферы. Но эта модель существовала недолго. В 1711 году Резерфорд обнаружил, что в атомах существуют ядра, и создал планетарную модель атома: в центре атома положительно заряженное ядро, вокруг него по разным орбитам вращаются электроны, как планеты вокруг Солнца. Но эта модель столкнулась с 2-мя основными трудностями. Из этого следовало, что движущийся с ускорением электрон должен изучать электромагнитные волны и впоследствии этого упасть на ядро, разрушив атом. Однако опыт показывает, что атомы - это устойчивые образования, из этого следует, что испускаемый атомами свет должен иметь непрерывный спектр, тогда как они линейчатые.

В 1917 году Нильс Бор предложил качественно новую квантовую модель атома.

Бор взял за основу планетарную резерфорда, он дополнил ее 2-мя постулатами, совершенно несовместимыми с классической физикой:

1. В атоме существуют несколько стационарных орбит, двигаясь по которым электрон не излучает энергию (устойчивость атомов объяснил этот постулат)

2. При переходе атома от одной стационарной орбиты на другую он испускает или поглощает квант энергии (непрерывность, линейчатость спектра атомов).

Модель Бора точно описывала атом водорода, но испытывала трудности при объяснении многоэлектронных атомов. Теория Бора была важна в квантовой механике, но она обладала внутренними противоречиями:

В ней используются законы классической физики, но одновременно вводятся квантовые постулаты, современная теория атома основана на квантовой механике, согласно которой не существует вполне определенных круговых орбит, как в теории Бора. В силу волновой природы электрон «размазан» в пространстве. Мы не можем предсказать траекторию, по которой будет двигаться электрон, а можем лишь вычислить вероятность обнаружения электрона в разных точках. Подобная ситуация отличалась от классической физики.

3. ЭЛЕМЕНТАРНЫЕ ЧАСТИЦЫ

Элементарные частицы (в буквальном значении этого термина) - это первичные неделимые частицы, из которых по предположению состоит вся материя.

В современной науке этот термин означает частицы, входящие в состав атома.

В конце 19-го начале 20-го веков были открыты составные элементы атомов: электрон, протон, нейтрон.

Далее в результате исследований космических лучей были обнаружены десятки новых элементарных частиц. Сегодня известно около 400 тыс. элементарных частиц. Большинство из них имеют античастицы (отличаются знаком заряда) и некоторыми другими свойствами.

При столкновении частицы и античастицы происходит взаимное уничтожение (аннигиляция) с появлением других частиц.

4. ХАРАКТЕРИСТИКИ ЭЛЕМЕНТАРНЫХ ЧАСТИЦ

1. Наличие у них массы покоя. В соответствии с их массой частицы подразделяются на лептоны (легкие частицы), барионы (тяжелые частицы) и мезоны (средние частицы).

Имеются частицы, которые не имеют массы покоя, например, фотон.

2. Заряд характеризует связь с электрическим полем. Частицы могут иметь положительный, отрицательный и нулевой заряд.

3. Время жизни (стабильные: электрон, протон, фотон, нитрино). Все остальные нестабильны, врем жизни от 10?¹⁰ с до 10?²⁰ с.

4. Спин - собственный момент количества движения частицы, который может иметь целые и полуцелые значения.

ФИЗИЧЕСКИЕ ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ:

Элементарные частицы участвуют во всех видах известных взаимодействий.

1. Сильное (самое сильное из всех). Обуславливает связь протонов и нейтронов в ядрах атомов. Действует на очень маленьких расстояниях. Радиус действия ограничен размером ядра.

2. Электромагнитное. Присуще только элементарным частицам, поэтому в зависимости от знака заряда может проявляться как притяжение, так и отталкивание. Приблизительно в 100 раз слабее сильного, но радиус действия практически неограничен. Благодаря нему возникают атомы, молекулы и микроскопические тела. Оно обусловливает также физические и химические свойства вещества.

3. Слабое (слабее электромагнитного, но сильнее гравитационного). Обладает очень малым радиусом действия, поэтому его влияние распространяется на субатомные частицы. Оно ответственно за распады частиц.

4. Гравитационное - универсальное, присущее всем материальным объектам. Является самым слабым взаимодействием. Поэтому его роль в микромире ничтожна. В космических масштабах ему принадлежит определенная роль. Радиус действия бесконечен.

Главная проблема современной физики - объединение всех физических взаимодействий, поиск единой теории поля.

В 70-е годы 20 века Вайнберг и Салаам (нобелевская премия) сумели объединить электромагнитное и слабое взаимодействие, создав теорию электрослабых взаимодействий.

Сегодня разрабатывается теория модели для универсального объединения 3 взаимодействий (сильное, слабое, электромагнитное) - так называемое Великое объединение.

Физики допускают, что может быть создана единая теория всех 4 фундаментальных взаимодействий на основе одного фундаментального взаимодействия - суперсилы.

5. КЛАССИФИКАЦИЯ ЭЛЕМЕНТАРНЫХ ЧАСТИЦ

В зависимости от участия в тех или иных видах взаимодействия все элементарные частицы разбиваются на 2 больших класса: адроны и лептоны, а также в особый класс выделяются частицы - переносчики взаимодействий.

Адроны - частицы, которые участвуют в сильном взаимодействии наряду с электромагнитным и слабым: барионы (протон, нейтрон и др.), мезоны (резонанс).

Лептоны - не участвуют в сильном взаимодействии: электрон, мюон, таумптон, и соответствующие нитрино.

3-й класс - переносчики взаимодействия.

Переносчиком электромагнитного взаимодействия являются фотоны, сильного взаимодействия - глюоны, слабого взаимодействия - промежуточные базоны, предполагают, что переносчиком гравитационного взаимодействия являются гравитоны.

Итак, строительный материал вещества составляют: адроны и лептоны.

Лептоны - истинно элементарные, т.к. они не обнаруживают никакой внутренней структуры и не имеют поддающихся определению размеров.

Адроны - более сложные частицы. В 1964 году 2 ученых - Гелман и Цвейг - создали кварковую модель адронов, согласно которой адроны построены из более фундаментальных частиц - кварков. Они имеют дробный заряд и полуцелый спин.

В настоящее время известно 6 типов («ароматов») кварков; дополнительно кварк каждого «аромата» разлагается по «цвету»: красный, желтый, синий.

Итак, атом состоит из электронов (лептоны) и ядра. С точки зрения кварковой модели ядро атома - это уже не просто набор протонов и нейтронов, а совокупность соответствующего числа кварков, связанных между собой, таким образом, истинно элементарными являются лептоны и кварки, хотя гарантии, что они являются последними неделимыми - наука не дает. Поэтому термин «элементарный» имеет относительное значение. Он выражает лишь границы проникновения современной науки в структуру материи, но вовсе не то, что соответствующие частицы являются простейшими и бесструктурными.

6. МЕГАМИР

С точки зрения современной науки, мегамир - взаимодействующая и развивающаяся система всех небесных тел.

Понятие «Вселенная» означает весь существующий материальный мир. Часть Вселенной доступная на данном уровне познания называется Метагалактикой или «нашей Вселенной»

Строение, происхождение, эволюцию Вселенной изучает космология.

Выводы космологии о происхождении эволюции и будущем Вселенной как целого называется космологическими моделями.

7. СОВРЕМЕННЫЕ КОСМОЛОГИЧЕСКИЕ МОДЕЛИ ВСЕЛЕННОЙ

Классическая космология исходила из утверждений абсолютности и бесконечности пространства и времени, а также неизменности и вечности Вселенной.

Вопрос об эволюции Вселенной в целом не ставился - теория стационарного состояния Вселенной.

В 19 веке классические космологические представления столкнулись с 2-мя парадоксами, связанными с постулатом о бесконечности Вселенной.

1. Гравитационный парадокс. Если Вселенная бесконечна, то и силы тяготения между телами должны быть бесконечны, что должно привести к коллапсу, т.е. Вселенная не могла бы существовать вечно

2. Фотометрический парадокс. Если Вселенная бесконечна, то в ней должно существовать бесконечное число небесных тел, а значит, светимость неба тоже должна быть бесконечной, однако этого не происходит.

Эти парадоксы - следствия неправомерного распространения законов классической физики на всю Вселенную, поэтому требовалось не уточнение классической физики, а создание новой теории тяготения. Ей стала общая теория относительности Эйнштейна, которая положена в основу современной (релятивистской) космологии, которая пришла на смену классической.

Первую космологическую модель, основанную на новой (релятивистской) теории тяготения в 1619 году предложил сам Эйнштейн - релятивистская стационарная теория. Он отказался от постулатов классической космологии об абсолютности и бесконечности пространства и времени, но сохранил принцип стационарности, неизменности Вселенной во времени и ее конечности в пространстве. Свойства Вселенной, по его мнению, зависят от распределения гравитационных масс. Вселенная безгранична, но конечна в замкнутом пространстве. Время существования Вселенной - бесконечно, т.е. не имеет ни начала, ни конца.

Первым от постулата о стационарности Вселенной отказался А. Фридман.

В 1922 году, решая уравнения общей теории относительности, он получил неожиданный результат: Вселенная не стационарна и обладает переменным во времени радиусом кривизны пространства. Он предположил, что мировое пространство аналогично поверхности сферы, радиус которой растет со временем. Вселенная должна эволюционировать, т.е. непрерывно изменятся со временем. Расстояния между галактиками не могут оставаться постоянными. Вследствие наличия силы тяготения они должны либо удаляться, либо сближаться.

Вывод Фридмана означал, что Вселенная должна либо расширяться, либо сжиматься. Вывод Фридмана о стационарности Вселенной получил подтверждение. В 1925 году американский астроном Хаббл при исследовании спектров далеких галактик обнаружил, что чем больше расстояние до галактики, тем больше величина красного смещения, следовательно, скорости отдаления галактики от нас.

Итак, галактики разбегаются во все стороны от нас, причем скорость разбегания прямо пропорциональна расстоянию, но это на значит, что мы находимся в центре Вселенной. Таким образом, Хаббл своими наблюдениями далеких галактик доказал, что Вселенная расширяется, и в космологии утвердилась модель расширяющейся Вселенной. Расширение Вселенной началось с ее возникновения.

8. ПРОБЛЕМЫ ПРОИСХОЖДЕНИЯ И ЭВОЛЮЦИИ ВСЕЛЕННОЙ

В 1927 году бельгийский ученый Джордж Леметр предположил возникновение и расширение Вселенной из сверхплотного состояния, представив этот процесс в виде Большого взрыва, а предположение, что первоначальное вещество было сверхплотным и очень горячим, высказал впервые Г.А. Гамов. Согласно представлениям современной космологии Вселенная возникла 15-20 млрд. лет назад, когда все вещество находилось в состоянии сингулярности (точечности) и сверхплотном состоянии. От первоначального сингулярного состояния Вселенная перешла к расширению в результате Большого взрыва. По мере расширения происходило понижение температуры и плотности вещества.

9. ЭТАПЫ ЭВОЛЮЦИИ ВСЕЛЕННОЙ

1. Адронная эра с момента 10??¹⁰ при температуре = 10¹⁵ по Кельвину вещество Вселенной состояло из частиц и античастиц, которые, объединяясь в группы, образуют адроны (протоны, нейтроны и др.) на 1 млн. античастиц приходится 1,1 млн. частиц.

Главное событие - аннигиляция частиц и античастиц, но остается некоторое количество протонов и нейтронов, которые послужили материалом, из которого построена вся Вселенная. Продолжительность этой эры - 0,0001 с.

2. Начало синтеза элементов приблизительно через 100 с после начала расширения Вселенной. При температуре 1 млрд. градусов начался ядерный синтез с образованием ядер водорода и гелия.

3. Через 300 тысяч лет после Большого взрыва при температуре 4000 градусов по Кельвину - этап рекомбинации ядер и электронов с образованием атомов водорода и гелия. Продолжался 700 тыс. лет. В процессе дальнейшего расширения понижалась температура вещества, и излучения в результате излучения отделилось от вещества - Вселенная стала прозрачной.

4. Через 1 млн. лет наступила звездная эра - процесс образования протозвезд и протогалактик, из которых постепенно формировались звезды, галактики и т.д.

Эту модель называют стандартная или горячая Вселенная. Она объясняет происхождение многих свойств Вселенной. Но причины Большого взрыва и расширения в ней лишь постулируется (объяснения не дано).

В конце 20 века была создано гипотеза инфляционной («раздувающейся») Вселенной, которая. Не отменяя основных постулатов, отвечает на ряд вопросов, которые до недавнего времени считались недополненными. В ней описывалась эволюция вселенной на самых ранних стадиях, ее развитие началось с момента 10?⁴³ до 10?³⁵ с, когда она находилась в состоянии ложного вакуума. В основе этой гипотезы представления о существовании силы космических отталкиваний невероятной величины, которая смогла разорвать некоторые материи Вселенной и вызвать ее расширение. Причем Вселенная «раздувалась» со скоростью значительно превосходящей скорость света. Такое расширение означает, что все части Вселенной разлетаются, как при взрыве, а это и есть Большой взрыв.

Считается, что этот период «инфляции» предшествовал Большому взрыву.

10. БУДУЩЕЕ ВСЕЛЕННОЙ

Современная космология не может ответить на вопрос будет ли расширение продолжаться или сменится сжатием. Для этого нужно знать величину средней плотности вещества во Вселенной и его отношение с критической плотностью. Если средняя плотность вещества меньше критической, то расширение будет продолжаться неограниченно. Если плотность больше критической, то расширение Вселенной в отдаленном будущем сменится сжатием.

Согласно современным данным критическая плотность оценивается в 10?²⁶кг/м (в кубе), а значение средней плотности вещества во Вселенной составляет 3*10?²⁷ кг/м (в кубе). Следовательно, Вселенная будет расширяться, но современное состояние наблюдений не дает возможность точного определения средней плотности вещества во Вселенной, т.к. неясна скрытая масса вещества, в состав которой могли бы входить нитрино, черные дыры, несветящиеся звезды и другие типы космических объектов, тогда средняя плотность вещества может оказаться выше критической величины и в отдаленном будущем расширение Вселенной сменится ее сжатием.

11. СТРУКТУРА ВСЕЛЕННОЙ

Систем самого высокого порядка - Метагалактика - это доступное наблюдение части Вселенной, она представляет собой систему взаимодействия скоплений галактик, она имеет сетчатую («ячеистую») структуру, т.е. галактики расположены неравномерно, а именно, они образуют ячейки типа пчелиных сот. Вдоль стенок этих ячеек расположены галактики, а внутри - пустота.

Больше всего галактик сосредоточено в узлах (местах пересечения стенок) - насчитываются до 10-ков тысяч отдельных галактик. Но в очень больших масштабах (скопления и сверхскопления галактик) распределение вещества оказывается равномерным, значит если обозревать Вселенную с любой из галактик, то она всюду будет выглядеть практически одинаково.

Скопление галактик - группы галактик, связанных в одну систему, благодаря взаимному гравитационному притяжению, облака скоплений галактик образуют сверхскопления галактик.

Галактики - это гигантские звездные системы, содержащие от нескольких миллионов до многих сотен миллионов звезд, газа, пыли. Они содержат различного рода поля и космические лучи.

По форме различают:

1. эллиптические. Имеют форму кругов или эллипсов с разной степенью сжатия. Количество звезд убывает равномерно от центра.

2. спирали: туманность Андромеды, Млечный путь (наша галактика).

3. неправильные галактики не имеют определенной формы, центральных ядер (Магеллановы облака).

В центрах многих галактик имеется яркое плотное ядро, состоящее в основном из звезд, но в некоторых ядрах наблюдаются активные процессы, связанные с колоссальным выделением энергии. Такие ядра называют радиогалактиками.

В 1963 году обнаружены галактики - источники радиоизлучения, которые назвали квазары, при сравнительно небольших размерах они выделяют колоссальное количество энергии. Это самые удаленные объекты наблюдения во Вселенной. Предполагают, что квазары являются ядрами далеких галактик, находящихся в стадии чрезвычайно сильной активности.

Скопления звезд - это группы звезд, связанных силами тяготения и движущиеся в пространстве как единое целое.

Бывают 2-ух типов:

Шаровые - это массивные объекты правильной сферической формы, содержат десятки, сотни тысяч, и иногда, и миллионы звезд. Это самые старые звезды в галактике - 12-14 млн. лет.

Рассеянные - не имеют правильной формы. Содержат десятки, сотни наиболее крупных тысяч звезд.

Звезды - это громадные раскаленные светящиеся газовые шары - водородно-гелиевые.

В них протекают ядерные реакции и за счет этого звезды постоянно излучают энергию, звезды имеют разную величину - гиганты и сверхгиганты, звезды-карлики. Звезды обладают различными температурами. Соответственно различен цвет звезд. Сравнительно «холодные» звезды - красноватые, а самые горячие - голубоватые, белые.

Большинство звезд в галактике расположены подобно нашей солнечной системе. Звезды возникли из газово-пылевых облаков. Они проходят различные эволюционные циклы жизни и в конечные стадии своей эволюции превращаются в белые, затем в черные карлики, затем в черные дыры и т.д.

12. ПРОСТРАНСТВО И ВРЕМЯ В СОВРЕМЕННОЙ НАУЧНОЙ КАРТИНЕ МИРА

В истории науки существовали различные концепции пространства и времени. Их можно разделить на 2:

1. Субстанциональные (Демокрит, Ньютон). Пространство и время рассматриваются как объективные самостоятельные сущности, независящие друг от друга и от характера протекающих в них материальных процессов. Ньютон вводит понятие «абсолютное пространство» и «абсолютное время».

2. Реляционная. Отрицала существование пространства и времени, как абсолютных сущностей. Пространство и время - это особые отношения между объектами и отдельно от них не существуют. Лейбниц считал, что время - это порядок последовательности событий, а пространство - порядок сосуществования тел. Реляционная концепция сложилась после создания теории относительности и неевклидовой геометрии.

Тема 5. СПЕЦИАЛЬНАЯ ТЕОРИЯ ОТНОСИТЕЛЬНОСТИ

1. ПРОСТРАНСТВО И ВРЕМЯ В СПЕЦИАЛЬНОЙ ТЕОРИИ ОТНОСИТЕЛЬНОСТИ

Релятивистская теория создана в 1905 году. В основу этой теории Эйнштейн положил 2 постулата:

1. Принцип относительности (сначала Галилей относительно к механическим процессам). Согласно принципу относительности Галилея все инерциальные системы (движущиеся прямолинейно и равномерно друг относительно друга) равноправны между собой в отношении описания взаимодействий.

Эйнштейн сформулировал обобщенный принцип относительности: в отношении электромагнитных явлений все инерциальные системы координат совершенно равноправны.

2. Принцип постоянства скорости света в вакууме: скорость света в вакууме не зависит от источника движения света или наблюдателя, одинаково во всех системах отсчета и является предельной скоростью распространения.

Постулаты специальной теории относительности находятся в очевидном противоречии с теми представлениями о пространстве и времени, которые сложились в механике Ньютона. В классической механике считалась очевидной абсолютность одновременных событий, происходящих и в одной и в разных точках пространства.

В специальной теории относительности одновременность 2-ух событий, происходящих в разных точках пространства относительна: события одновременные в одной инерциальной системе отсчета не будут одновременными в другой, движущейся относительно первой.

Следствием этого вывода стало признание относительности измерения размеров тел: длина тела, измеренная разными наблюдателями или с разными скоростями должна быть различна, то же самое относится и ко времени, а именно время протекания процесса будет различным, если измерять его с разными скоростями. При приближении к скорости света все процессы в системе замедляются, размеры тел сокращаются.

Вывод: Таким образом, специальная теория относительности установила неразрывную связь между пространством и временем - то есть изменение временных свойств и процессов всегда связано с изменением их пространственных свойств.

Подчеркивая эту связь, немецкий ученый Минковский ввел понятие «пространственно-временного континуума» или «четырехмерного пространства», в котором 3 измерения характеризуют положение, занимаемое предметом в пространстве. 4-ое пространство - это время, когда событие совершается.

2. ПРОСТРАНСТВО И ВРЕМЯ В ОБЩЕЙ ТЕОРИИ ОТНОСИТЕЛЬНОСТИ

В общей теории относительности было установлено, что метрические свойства зависят от силы гравитационного поля.

Массы вещества создают особое поле тяготения на свойства пространства и времени. Например, было установлено, что на Солнце все происходит медленнее, чем на Земле из-за более высокого гравитационного потенциала на его поверхности.

Вывод: В зависимости от гравитационных масс время замедляется или ускоряется, а пространство искривляется.

Неевклидова геометрия - геометрия искривленного пространства, например, в геометрии Евклида (на плоскости) предполагается, что сумма углов треугольника составляет 180⁰ , поверхность сферы в неевклидовой геометрии называется поверхностью положительной кривизны, а поверхности седла - отрицательной кривизны.

4-хмерное пространство Римана оказалось адекватным явлению гравитации.

С точки зрения общей теории относительности величина поля тяготения в каждой точке пространства зависит от его кривизны, таким образом, движение материальной точки в поле тяготения осуществляется непрямолинейно и равномерно, а по геодезической линии искривленного пространства.

Вывод общей теории относительности: общая теория относительности доказала связь пространства и времени с движущейся материей.

3. ФИЛОСОФСКОЕ ЗНАЧЕНИЕ ТЕОРИИ ОТНОСИТЕЛЬНОСТИ

1. Исключила из науки понятия абсолютного пространства и времени, как самостоятельных независимых от материи форм существования.

2. Показала зависимость пространственно-временных форм от характера движения и взаимодействия материальных систем, доказав тем самым, что пространство и время - основные формы существования материи.

Сам Эйнштейн, отвечая на вопрос о сути теории относительности, сказал: «Суть такова: раньше считали, что если каким-нибудь чудом все материальные вещи исчезли бы вдруг, то пространство и время остались бы. Согласно же теории относительности вместе с вещами исчезли и пространство, и время».