Реферат: Концепция естествознания
Все эти положения о времени и пространстве остаются верными в относительно небольших по астрономическим масштабам областях пространства и для относительно коротких по этим меркам отрезков времени. Но когда речь заходит об описаниях Вселенной в целом или ее части, или в условиях сильных полей тяготения, то эти представления перестают соответствовать действительности.
Из общей теории относительности Эйнштейна следует, что реальное пространство во Вселенной неэвклидово, геометрия его меняется со временем, а время течет с разной скоростью в разных точках Вселенной. Понятия пространства и времени соединены в единое понятие пространственно-временной непрерывности. В этом случае состояние любого тела описываются тремя пространственными координатами и четвертой координатой — временной.
Самой простой симметрией является — однородность и изотропность пространства. Это проявляется в том, что любой физический прибор работает одинаково в любой точке пространства если не меняются окружающие физические условия. Т.е. физические законы инвариантны (неизменны) относительно перемещений и поворотов. Еще одна важная симметрия — однородность времени. Все физические процессы протекают одинаково, когда бы они не начались. Но эта симметрия нарушается в слабом распаде некоторых элементарных частиц. И хотя эти нарушения очень малы, они играют важную роль в физике элементарных частиц, т.к. приводят к абсолютному различию между частицами и античастицами. Существует кроме того зеркальная симметрия. Так существует зеркальная симметрия строения молекул.
Но самую важную симметрию открыл Эйнштейн, обнаружив всеобщность пространственно-временной симметрии. Т.е. все физические, химические, биологические явления не изменяются при поворотах поворот означает такое изменение координат, когда не изменяются расстояния между точками постоянство распространения света при повороте. Так все симметрии выше названные были объединены в одну всеобщую — все явления природы инвариантны относительно сдвигов, поворотов и отражений в четырехмерном пространстве-времени.
Важнейшим следствием симметрии состоит в том, что каждой симметрии соответствует свой закон сохранения. В частности закон сохранения энергии есть строгое следствие однородности времени (полная энергия замкнутой системы тел остается неизменной), а закон сохранения импульса (в замкнутой системе геометрическая сумма импульсов остается постоянной) следует из однородности пространства. То же относится к законам сохранения вещества и заряда. (В замкнутой системе алгебраическая сумма электрических зарядов остается постоянной).
7. Микро мир. Проявление волновых и корпускулярных свойств микрочастиц. Дуализм в микромире
Невидимый нам микромир состоит из мельчайших частиц материи — электронов, протонов, нейтронов, атомов и т.д. Свойства объектов этого мира совершенно не похожи на свойства привычного макромира. Свойства микрочастиц невозможно описать с позиций классической физики, поэтому возникла принципиально новая физика — квантовая механика.
Изучение свойств света показал, что он обладает сложной природой, сочетающей в себе волновые и корпускулярные свойства. Такие явления как дифракция и интерференция объясняются волновыми свойствами, а фотоэффект — корпускулярными. В результате возник так называемый корпускулярно-волновой дуализм, распространенный на мельчайшие частицы вещества — электроны, протоны, нейтроны и т.д. Движущийся по орбите электрон можно рассматривать с одной стороны как корпускулу (с определенной массой, энергией, зарядом) и с другой стороны — как некую волну, длина которой укладывается на длине орбиты целое число раз. При изучении явления фотоэффекта было установлено, что с поверхности электронами выбиваются порции света, свет излучается и поглощается квантами света, названными фотонами. Энергия фотона с одной стороны определяется формулой Е=hy (y - частота, h - постоянная Планка). С другой стороны энергия может быть выражена через массу m и скорость света c — Е=mс2. Т.е. фотон также как и электрон имеет и волновые свойства и корпускулярные, но не имеет заряда. Масса покоя фотона равна нулю, т.е. он не существует в состоянии покоя.
Можно предположить, что всякому телу с массой m, движущемуся со скоростью u соответствует длина волны l= h/mu. Но для тел со значительной массой длина волны ничтожно мала и ее невозможно зафиксировать.
Таким образом деление материи на две формы — вещество и поле довольно условно. Частицы вещества обнаруживают признаки волны и корпускулы, и электромагнитное излучение обнаруживает те же свойства. Это явление получило название дуализма волны и корпускулы. Экспериментально дуализм подтверждается, например, дифракцией электронов на кристалле никеля, т.е. частица проявляет волновые св-ва.
8. Особенности описания законов микромира. Волновая функция. Принцип суперпозиций, неопределенности и дополнительности
Особенностью микромира, состоящего из мельчайших частиц (электронов, протонов, нейтронов, атомов, и т.д.) является то, что им присущи как волновые так и корпускулярные свойства, те проявление дуализма. Вследствие этого невозможно применение понятий и принципов классической физики. Попытки описать и объяснить объекты микромира привели к появлению квантовой механики, т.к. классическая физика не в силах была объяснить дуализм волны и частицы. Кроме того особенностью микромира является то, что при экспериментах неизбежно макроприборы и инструменты исследователей влияют на микрообъекты. Подобное воздействие не учитывается в классической физике.
Принципиальное отличие описания законов микромира заключается в вероятностном характере этих описаний. Это означает, что нельзя точно предсказать место нахождения, например, электрона. Можно оценить лишь его шансы попадания в определенную точку. Поэтому применяются методы и понятия теории вероятности. В квантовой механике любое состояние описывается с помощью «волновой функции» (Y), но в отличие от классической физики эта функция определяет параметры будущего состояния не достоверно, а с определенной степенью вероятности. Например, говорят о вероятностном распределении значений, а не о конкретных значениях. Значение волновой функции становиться ясным из утверждения: вероятность нахождения электрона в определенном месте равно квадрату модуля волновой функции. В основе квантовой механики лежит принцип неопределенности.
Суть принципа неопределенности заключается в следующем: если мы стремимся определить одну из сопряженных величин, например, координату x, то значение другой величины, нельзя определить с такой же точностью. Принцип неопределенности выражается формулой Dx Dp =h, где произведение приращения координаты и приращение импульса равно постоянной Планка. Или словами: невозможно с одинаковой точностью определить и положение, и импульс микрочастицы. Произведение их неточностей не должно превышать постоянную Планка.
В силу кажущейся противоречивости корпускулярных и волновых свойств датский физик Нильс Бор выдвинул принцип дополнительности для квантово-механического описания микрообъектов, согласно которому корпускулярная картина такого описания должна быть дополнена волновым альтернативным описанием. Опираясь на этот принцип возможно понять и объяснить многие явления, например дифракцию электрона на никелевом кристалле.
Принцип суперпозиций заключается в следующем: в каждой точке результат от действия нескольких источников (например, волн) в любой момент равен сумме результатов действий каждого источника в отдельности.
9. Виды взаимодействий. Вещество и поле. Виртуальные частицы
Атомистическая концепция опирается на представление о дискретном строении материи, т.е. материя состоит из мельчайших частиц, которые на определенном этапе познания считаются неделимыми. Исторически такими частицами считались атомы, затем элементарные частицы, теперь кварки.
Между элементарными частицами существуют взаимодействия. По интенсивности это взаимодействие подразделяется на сильное, электромагнитное, слабое и гравитационное.
1. Сильное взаимодействие наиболее интенсивно и обуславливает связь между протонами и нейтронами в атомных ядрах.
2. Электромагнитное взаимодействие менее интенсивное и определяет связь между электронами и ядрами в атоме, и между атомами в молекуле.
3. Слабое взаимодействие наименее интенсивно, оно вызывает медленно протекающие процессы с элементарными частицами, например, распад квазичастиц.
4. Гравитационное взаимодействие происходит на чрезвычайно коротких расстояниях и определяется малыми массами частиц, что дает малый эффект, который возрастает с увеличением массы.
В квантовой механике каждой частице вещества соответствует волна, т.е. каждой частице можно сопоставить свое поле. А если этих частиц много, например, электронов с одинаковыми энергиями и импульсами, то и волны одинаковы. И это значит, что эта среда является полем. Это поле можно описать математически с помощью функции координат и времени. Например фотон описывается электрическим полем Е(x, y, z, t) и магнитным полем H(x, y, z, t). Фотон — это квант электромагнитного поля, а электрон и позитрон — электрон-позитронного поля. Эти поля переменные, но существуют и постоянные (статические) электрические и магнитные поля, например магнитное поле Земли. Но все это разные формы проявления электромагнитного поля. Кроме того в природе существует гравитационное поле, создаваемое материальными телами. Гравитационное поле пропорционально массе. Гравитационные волны пока не обнаружены.
Элементарные частицы (кроме фотонов) могут подразделяться по типам взаимодействия: на адроны, для которых характерно сильное взаимодействие и лептоны, для которых характерно слабое и электромагнитное взаимодействие. По массе частицы делятся на тяжелые, промежуточные и легкие. По времени жизни они делятся на стабильные (электрон, фотон, протон и нейтрино), квазистабильные и нестабильные частицы.
По теории относительности энергия может переходить в массу, такие переходы называются виртуальными. Таким виртуальным переходам сопутствует рождение виртуальных частиц на короткое время. Эти процессы происходят в физическом вакууме — состоянии с наименьшей энергией и отсутствием вещества. Если приложить достаточно энергии, из вакуума можно рождать частицы, т.к. энергия может переходить в поле, а поле — в частицы. Поскольку Е=mс2, то частица с массой m рождается на время h/mс2. Для протона это составляет около 10-34 с. Воздействие виртуальных частиц не велико, но чем меньше исследуемые частицы, тем значительней воздействие на них виртуальных частиц.
10. Связанные системы микрообъектов. Ядро, атом, молекула
Характер связанной системы микрообъекта, как и любой системы, зависит не только от состава и строения ее элементов, но и от их взаимодействия. Именно такое взаимодействие определяет связанность и целостность системы. С уровнем достигнутых знаний менялось и представления о структуре вещества. В качестве первичной системы микрообъектов сначала рассматривались молекулы как наименьшие единицы вещества. Сами представления о структуре молекулы постепенно совершенствовались и уточнялись. Существовало мнение, что структура молекулы возникает благодаря взаимодействию разноименно заряженных атомов или групп атомов. Но это было не совершенное суждение. В дальнейшем исследователи установили, что при образовании структур различные атомы не просто взаимодействуют, но известным образом преобразуют друг друга, так в результате получается целостность или связанная система. Позднее структуру молекул стали связывать с понятием валентности элемента. Дальнейшим шагом в этом направлении было изучение того, какую роль в образовании молекул из атомов играет степень напряженности и энергии с которой они связываются друг с другом. Из всего этого необходимо уяснить главное: структура с точки зрения системного подхода представляет собой упорядоченную связь и взаимодействие между элементами системы, благодаря которой и возникают новые целостные ее свойства. В такой химической системе, как молекула, именно специфический характер взаимодействия атомов определяет новые целостные свойства молекулы.
Резерфорд положил основу ядерной модели атома как целостной системы. Она заключается во взаимодействии ядра атома, находящегося в центре атома и электронов, вращающихся вокруг ядра. Ядро состоит из положительно заряженных протонов и не имеющих заряда нейтронов. Число электронов в атоме равно числу протонов в ядре. Т.к. масса электронов в 2000 раз меньше массы протонов или нейтронов, поэтому вся масса атома сосредоточена в ядре. Разные электроны связаны с ядром в разной степени, некоторые из них атом легко теряет, при этом система переходит в другое состояние, атом становиться положительным ионом. Приобретая дополнительный электрон, атом превращается в отрицательный ион. При поглощении электромагнитного излучения, например света, атом возбуждается и совершает квантовый переход с нижнего уровня на более высокий. В связи с этим говорят об энергетических уровнях атома, которые определяют состояние атома как системы.
Атомное ядро как целостная система существует благодаря сил притяжения, связывающих протоны и нейтроны в атомном ядре. Эти силы называются ядерными или сильным взаимодействием. Так как по способности к сильному взаимодействию протон и нейтрон не отличаются друг от друга, поэтому их рассматривают как одну частицу — нуклон. Сильное взаимодействие действует на малых расстояниях (10-15 м) и превосходит электромагнитное и гравитационное, но оно уменьшается с увеличением расстояния.
11. Достижения атомной и ядерной физики
Атомная физика возникла на рубеже 19-20 вв. на основе исследований оптических спектров. Она занималась изучением строения атома и изучением его свойств. Была разработана количественная теория атома. Последующие исследования свойств атомов и электронов завершились созданием квантовой механики — физической теории, описывающей законы микромира. Квантовая механика является теоретическим фундаментом атомной физики, а она в свою очередь выступает опытным полигоном. Атомной физикой установлены оптические спектры атомов различных химических элементов, связь закономерностей спектров с системой энергетических уровней, подтвердила то, что внутренняя энергия атома квантуется и изменяется дискретно. Вследствие изучения радиоактивности произошло выделение ядерной физики, изучающей взаимопревращение элементарных частиц — физика элементарных частиц. Атомная физика добилась огромных успехов в изучении процессов, происходящих в атомных ядрах и взаимопревращение элементарных частиц. Но эта дисциплина изучает ту часть, в которой не происходит изменение с самим ядром, а только с электронной оболочкой. Ядерная физика изучает превращения атомных ядер, происходящие как в результате радиоактивных распадов, так и в результате различных ядерных реакций. Достижения ядерной физики немыслимы без использования достижений физики и техники ускорителей заряженных частиц. Именно создание различных ускорителей элементарных частиц помогли исследователям во многих проблемах изучения атомных ядер и их превращений. Важной частью ядерной физики является нейтронная физика, занимающаяся ядерными реакциями, происходящими под действием нейтронов. Современная ядерная физика распадается на две взаимосвязанные ветви — теоретическую и экспериментальную ядерную физику. Теоретическая работает с моделями атомных ядер и ядерных реакций. Экспериментальная ядерная физика использует богатый арсенал современных исследовательских средств, включая ядерные реакторы (как источники мощных пучков нейтронов), ускорители заряженных частиц (как источник ускоренных электронов, протонов, ионов, мезонов и т.д.), разнообразные детекторы частиц. Ядерно-физические исследования имеют огромное чисто научное значение, позволяя глубже проникать в тайны природы. В то же время эти исследования важны и для практического использования в ядерной энергетике, медицине, в ядерных реакторах на ледоколах, для изучения ядерных реакций для использования в мирных целях, для синтеза материалов.
13. Статистические системы и характеристики их законов. Средние величины. Понятие энтропии. Флуктуации
Законы классической механики имеют универсальный характер, т.е. они относятся ко всем без исключения изучаемым объектам. Их особенностью является то, что их предсказания достоверны и однозначны. Но законы, действующие для статистических систем (систем с множеством объектов) не являются однозначными, а только вероятностными. Но это не является свидетельством недостоверности, т.к. квантовая механика показала, что существование неопределенности корениться в самом фундаменте материи (см. 8). По этой причине эти законы носят название вероятностных, или — статистических, т.к. информация носит статистический характер. Эта исходная информация об объектах исследования собирается, например, методом длительных наблюдений, затем анализируется методами статистики и выводиться какое-то среднее значение определяемой величины. Статистические методы используются для изучения свойств сложных систем — газов, жидкостей, твердых тел и их связь со свойствами отдельных частиц — атомов, молекул. Для описания больших статистических систем используются среднестатистические значения параметров, отвлекаясь от конкретных значений этих параметров для каждой частицы, например определяется средняя энергия для данной системы, вместо определения энергий каждой молекулы. Большое значение для статистической физики имели работы американского физика Гиббса, который дал общий метод вычисления усредненных величин для произвольной системы. Но на практике исследователи, использующие усредненные величины какого-либо параметра, имеют дело с флуктуациями. Флуктуации это — небольшие нерегулярные, хаотические изменения какой-либо физической величины. Обычно эти отклонения в физике связывают с тепловыми или квантовыми явлениями. Например, в квантовой механике температура одноатомного газа определяется кинетической энергией атомов. Но из-за столкновений атомов энергия каждого из них не остается постоянной, а все время меняется. Если взять большой объем, то энергия, усредненная по всем атомам, будет практически постоянна. Если же газа в этом объеме мало, то флуктуации энергии будут значительны. Величина флуктуации обратно пропорциональна корню квадратному из числа частиц N.
