Вопросы по естествознанию

Фундаментальные понятия физики: материя, движение, пространство и время. Виды материи. Концепции симметрии, эфира и физического вакуума.

Материя есть философская категория для обозначения объективной реальности, которая отображается нашими ощущениями, существуя независимо от них. В классическом представлении в естествознании различают два вида материи: вещество и поле. В современном представлении к этим двум следует добавить третий вид материи – физический вакуум.

Повседневный опыт показывает, что тела действуют друг на друга, что приводит к всевозможным изменениям и движениям. Ученых интересует не сам факт движения, а его количественная характеристика, которую нужно изменять, только в этом случае возможно точное описание движения. Для количественного описания движения сформировались представления о пространстве и времени.

В физике движение рассматривается в самом общем виде как изменение состояния или другой физической системы. И для описания состояния вводится набор измеряемых параметров, к которым со времен Декарта относятся пространственно-временные координаты, или точки пространственно-временного континуума, означающего непрерывное множество. В физике используются и другие параметры состояния систем: импульс, энергия, температура, спин и др.

Для измерения времени могут быть использованы как периодические процессы, так и непериодические.

Время выражает порядок смены физических состояний и является объективной характеристикой любого физического процесса или явления; оно универсально. Говорить о времени безотносительно к изменениям в каких-либо реальных телах или системах – с физической точки зрения бессмысленно.

Ньютон различал абсолютное и относительное время.

Во-первых, течение времени зависит от скорости движения системы отсчета. При достаточно большой скорости, близкой к скорости света, время замедляется, т.е. возникает релятивистское замедление времени. Во-вторых, поле тяготения приводит к гравитационному замедлению времени. Можно говорить только о локальном времени в некоторой системе отсчета. Время всегда относительно.

Важная особенность времени выражена в постулате времени: одинаковые во всех отношениях явления происходят за одинаковое время.

По аналогии с абсолютным временем Ньютон ввел понятие абсолютного пространства, которое может быть совершенно пустым и существует независимо от наличия в нем физических тел, являясь как бы мировой сферой, где разыгрываются физические процессы. Свойства такого пространства определяются Евклидовой геометрией. Для реального мира пространство и время имеет не абсолютный, а относительный характер.

Весьма важным для понимания законов природы является принцип инвариантности относительно сдвигов в пространстве и во времени, т.е. параллельных переносов начала координат и начала отсчета времени: смещение во времени и пространстве не влияет на протекание физических процессов.

Инвариантность непосредственно связана с симметрией, представляющей собой неизменность структуры материального объекта относительно его преобразований, т.е. изменения ряда физических условий. Из принципа инвариантности следует симметрия пространства и времени, называемая однородностью пространства и времени.

Однородность пространства заключается в том, что при параллельном переносе в пространстве замкнутой системы тел как целого ее физические свойства и законы движения не изменяются. Из свойства симметрии пространства следует закон сохранения импульса: импульс замкнутой системы сохраняется, т.е. не изменяется с течением времени.

Однородность времени означает инвариантность физических законов относительно выбора начала отсчета времени. Еще одно свойство симметрии пространства – это его изотропность. Изотропность пространства означает инвариантность физических законов относительно выбора направлений осей координат системы отсчета. Из изотропности пространства следует закон сохранения момента импульса: момент импульса замкнутой системы сохраняется, т.е. не изменяется с течением времени.

Мировой эфир – это предполагавшаяся ранее универсальная сплошная среда, заполняющая все мировое пространство, в том числе и промежутки между атомами и молекулами в телах. Изучение оптических и электромагнитных явлений показало несостоятельность гипотезы о существовании эфира как универсальной механической среды: современная физика считает, что в пространстве между телами существуют различные физические поля, являющиеся особыми формами материи.

Виды фундаментальных взаимодействий. Универсальные физические постоянные.

К настоящему времени известны четыре вида основных фундаментальных взаимодействий: гравитационное; электромагнитное; сильное; слабое.

Между двумя точечными телами действует сила притяжения, прямо пропорциональная произведению их масс и обратно пропорциональная квадрату расстояния между ними. Предполагается, что гравитационное взаимодействие обуславливается некими элементарными частицами – гравитонами, существование которых к настоящему времени экспериментально не подтверждено.

Электромагнитное взаимодействие связано с электрическими и магнитными полями. Электрическое поле возникает при наличии электрических зарядов, а магнитное поле – при их движении. В природе существуют как положительные, так и отрицательные заряды, что и определяет характер электромагнитного взаимодействия (притяжение или отталкивание).

Сильное взаимодействие обеспечивает связь нуклонов в ядре и определяет ядерные силы. Предполагается, что ядерные силы возникают при обмене между нуклонами виртуальными частицами – мезонами.

Слабое взаимодействие описывает некоторые виды ядерных процессов. Оно короткодействующее и характеризует все виды бета-превращений.

Обычно для количественного анализа перечисленных взаимодействий используют две характеристики: безразмерную константу взаимодействия, определяющую величину взаимодействия, и радиус действия.

Микро-, макро- и мегамир.Человек и вселенная.

Микромир - мир микроскопических частиц, для которых характерны преимущественно квантовые свойства. Поведение и свойства физических тел, состоящих из микрочастиц и составляющих макромир, описываются классической физикой.

Пространственные масштабы нашей Вселенной и размеры основных материальных образований, в том числе и микрообъектов, можно представить из следующей таблицы, где размеры даны в метрах (для простоты приведены лишь порядки чисел, т. е. приближенные числа в пределах одного порядка):

Радиус космологического горизонта или видимой нами Вселенной 1026

Диаметр нашей Галактики 1021

Расстояние от Земли до Солнца 10"

Диаметр Солнца 109

Размер человека 10°

Структурные уровни организации материи.

Под структурой материи обычно понимается ее строение в микромире, существование в виде молекул, атомов, элементарных частиц и т. д. Но если рассматривать материю в целом, во всех доступных и потенциально возможных формах ее существования, то понятие структуры материи будет охватывать также различные макроскопические тела, все космические системы мегамира, причем в любых, сколь угодно больших пространственно-временных масштабах. С этой точки зрения структура материи проявляется в ее существовании в виде бесконечного многообразия целостных систем, тесно связанных между собой в закономерном движении и взаимодействии, в упорядоченном строении каждой системы. Эта структура неисчерпаема и бесконечна в количественном и качественном отношениях.

Проявлениями структурной бесконечности материи выступают: неисчерпаемость объектов и процессов микромира, бесконечность пространства и времени, бесконечность изменений и развития материи.

В доступных пространственно-временных масштабах структурность материи проявляется в ее системной организации, существовании в виде множества иерархически взаимосвязанных систем, начиная от элементарных частиц и кончая Метагалактикой. Последнюю иногда отождествляют со всей Вселенной, но для этого нет никаких оснований, ибо Вселенная в целом, понимаемая в предельно широком смысле этого слова, тождественна всему материальному миру и движущейся материи, которая может включать в себя бесконечное множество Метагалактик или других космических систем. Понятие же Вселенной, используемое в различных космологических моделях, обозначает наблюдаемую Вселенную (Метагалактику) либо же различные аспекты последней, как они представляются через содержание принятых моделей.

Корпускулярная и континуальная концепции описания природы (атомы, поле, кванты). Развитие концепции атомизма.

В истории физики наиболее плодотворной и важной для понимания явлений природы была концепция атомизма, согласно которой материя имеет прерывистое, дискретное строение, т. е. состоит из мельчайших частиц — атомов. До конца XIX в. в соответствии с концепцией атомизма считалось, что материя состоит из отдельных неделимых частиц — атомов. С точки зрения современного атомизма, электроны — "атомы" электричества, фотоны — "атомы" света и т. д.

Концепция атомизма, впервые предложенная древнегреческим философом Левкиппом в V в. до н. э., развитая его учеником Демокритом и затем древнегреческим философом-материалистом Эпикуром (341—270 до н. э.) и запечатленная в замечательной поэме "О природе вещей" римского поэта и философа Лукреция Кара (I в. до н. э.), вплоть до нашего столетия оставалось умозрительной гипотезой, хотя и подтверждаемой косвенно некоторыми экспериментальными доказательствами (например, броуновским движением, законом Авогадро и др.).

Многие ведущие физики и химики даже в конце XIX в. не верили в реальность существования атомов. К тому же многие экспериментальные результаты химии и рассчитанные в соответствии с кинетической теорией газов данные утверждали другое понятие для мельчайших частиц — молекулы.

Реальное существование молекул было окончательно подтверждено в 1906 г. опытами французского физика Жана Перрена (1870—1942) по изучению закономерностей броуновского Движения. В современном представлении молекула — наименьшая частица вещества, обладающая его основными химическими свойствами и состоящая из атомов, соединенных между собой химическими связями. Число атомов в молекуле составляет от двух (Н2, О2, НF, КСI) до сотен и тысяч (некоторые витамины, гормоны и белки). Атомы инертных газов часто называют одноатомными молекулами. Если молекула состоит из тысяч и более повторяющихся единиц (одинаковых или близких по строению групп атомов), ее называют макромолекулой.

Атом — составная часть молекулы, в переводе с греческого означает "неделимый". Действительно, вплоть до конца XIX в. неделимость атома не вызывала серьезных возражений. Однако физические опыты конца XIX и начала XX столетий не только подвергли сомнению неделимость атома, но и доказали существование его структуры. В своих опытах в 1897 г. английский физик Джозеф Джон Томсон (1856—1940) открыл электрон, названный позднее атомом электричества. Электрон, как хорошо известно, входит в состав электронной оболочки атомов. В 1898 г. Томсон определил заряд электрона, а в 1903 г. предложил одну из первых моделей атома.

Тождественность микрообъектов и индивидуальность макросистем.

Для микро- и макросистем характерна индивидуальность: каждая система описывается присущей только ей совокупностью всевозможных свойств. Можно назвать существенные различия между ядром водорода и урана, хотя оба они относятся к микросистемам. Не меньше различий между Землей и Марсом, хотя эти планеты принадлежат одной и той же Солнечной системе.

Однако можно говорить о тождественности элементарных частиц. Тождественные частицы обладают одинаковыми физическими свойствами: массой, электрическим зарядом, спином и другими внутренними характеристиками (квантовыми числами). Например, все электроны Вселенной считаются тождественными. Понятие о тождественных частицах как о принципиально неразличимых частицах — чисто квантово-механическое. Тождественные частицы подчиняются принципу тождественности.

Принцип тождественности — фундаментальный принцип квантовой механики, согласно которому состояния системы частиц, получающиеся друг из друга перестановкой тождественных частиц местами, нельзя различить ни в каком эксперименте. Такие состояния должны рассматриваться как одно физическое состояние.

Принцип тождественности — одно из основных различий между классической и квантовой механикой. В классической механике всегда можно проследить за движением отдельных частиц по траекториям и таким образом отличить частицы одну от другой. В квантовой механике тождественные частицы полностью лишены индивидуальности.

Принцип тождественности и вытекающие из него требования симметрии волновых функций для системы тождественных частиц приводят к важнейшему квантовому эффекту, не имеющему аналога в классической теории, — существованию обменного взаимодействия. Одним из первых успехов квантовой механики было объяснение Гейзенбергом наличия двух состояний атома гелия — орто- и парагелия, основанное на принципе тождественности.

Проблема построения единой фундаментальной теории в физике.

Положение, сложившееся в современной физике элементарных частиц, напоминает положение, создавшееся в физике атома после открытия в 1869 г. Д.И. Менделеевым периодического закона. Хотя физическая сущность этого закона была выяснена топько спустя примерно 60 лет, после создания квантовой механики он позволил систематизировать известные к тому времени химические элементы и, кроме того, привел к предсказанию существования новых элементов и их свойств. Точно так же физики научились систематизировать элементарные частицы, причем систематика в ряде случаев позволила предсказать существование новых частиц и их свойств.

Крупным шагом в познании микропроцессов явилось создание единой теории электромагнитных и слабых взаимодействий.

Развитие концепций движения, пространства и времени

Движение: абсолютного покоя нет, движение — неотъемлемое свойство материи; все течет, все изменяется и т.п.

В физике движение рассматривается в самом общем виде как изменение состояния или другой физической системы и для описания состояния вводится набор измеряемых параметров, к которым со времен Декарта относятся пространственно-временные координаты, или точки пространственно-временного континуума, означающего непрерывное множество. В физике используются и другие параметры состояния систем: импульс, энергия, температура, спин и т. п.

Время: В более строгом определении время выражает порядок смены физических состояний и является объективной характеристикой любого физического процесса или явления; оно универсально. Говорить о времени безотносительно к изменениям в каких-либо реальных телах или системах с физической точки зрения бессмысленно.

Абсолютное, истинное математическое время само по себе и по своей сущности, без всякого отношения к чему-либо внешнему, протекает равномерно и иначе называется длительностью. Течение абсолютного времени изменяться не может. Относительное, кажущееся или обыденное время есть или точная, или изменчивая постигаемая чувствами внешняя, совершаемая при посредстве какого-либо движения, мера продолжительности, употребляемая в обыденной жизни вместо истинного математического времени, как- то: час, день, месяц, год.

Важная особенность времени выражена в постулате времени: одинаковые во всех отношениях явления происходят за одинаковое время. Хотя этот постулат кажется естественным и очевидным, его истинность относительна, так как его нельзя проверить на опыте даже с помощью самых совершенных, но реальных часов.

Пространство: Первое представление о пространстве возникло из очевидного существования в природе и в первую очередь в микромире твердых физических тел, занимающих определенный объем. Из такого представления вытекало определение: пространство выражает порядок сосуществования физических тел. По аналогии с абсолютным временем Ньютон ввел понятие абсолютного пространства, которое может быть совершенно пустым, существует независимо от наличия в нем физических тел, являясь как бы мировой сферой, где разыгрываются физические процессы. Свойства такого пространства определяются Евклидовой геометрией. Такое представление о пространстве и до сих пор лежит в основе многих экспериментов, позволивших сделать крупные открытия.

Основные понятия классической механики: инерция, масса, сила. Законы Ньютона

В 1667 г. Ньютон сформулировал три закона динамики, составляющие основной раздел классической механики. Законы Ньютона играют исключительную роль в механике и являются (как и большинство физических законов) обобщением результатов огромного человеческого опыта.

Первый закон Ньютона: всякая материальная точка (тело) сохраняет состояние покоя или равномерного прямолинейного движения до тех пор, пока воздействие со стороны других тел не заставит ее изменить это состояние.

Стремление тела сохранить состояние покоя или равномерного прямолинейного движения называется инертностью, или инерцией. Поэтому первый закон Ньютона называют также законом инерции. Для количественной формулировки второго закона динамики вводятся понятия ускорения а, массы тела т и силы F. Ускорением характеризуется быстрота изменения скорости движения тела. Масса тела — физическая величина - одна из основных характеристик материи, определяющая ее инерционные (инертная масса) и гравитационные (тяжелая или гравитационная масса) свойства. Сила — это векторная величина, мер механического воздействия на тело со стороны других тел или полей, в результате которого тело приобретает ускорение или изменяет свою форму и размеры.

Второй закон Ньютона: ускорение, приобретаемое материальной точкой (телом), пропорционально вызывающей его силе и обратно пропорционально массе материальной точки (тела): а=F/m

Второй закон Ньютона справедлив только в инерциальных системах отсчета. Взаимодействие между материальными точками (телами) определяется Третьим законом Ньютона: всякое действие материальных точек (тел) друг на друга носит характер взаимодействия; силы, с которыми действуют друг на друга материальные точки, всегда равны по модулю, противоположно направлены и действуют вдоль прямой, соединяющей эти точки:

F12=-F21

где F12 — сила, действующая на первую материальную точку со стороны второй; F21— сила, действующая на вторую материальную точку со стороны первой. Эти силы приложены к разным материальным точкам (телам), всегда действуют парами и являются силами одной природы.

При подготовке этой работы были использованы материалы с сайта http://www.studentu.ru