Концепции современного естествознания
1. Как определили возрасты Солнца, звезд, Вселенной? Каков диапазон временных интервалов во Вселенной?
2. Дайте представление о научной методологии и формировании критерия истины в разное время. Чем отличается современная научная картина мира от классической? Как осуществляется преемственность идей и концепций?
3. В чем состоит эффект Доплера и какова его роль в исследовании звезд, Вселенной?
4. Дайте понятие внутренней энергии. Какие виды внутренней энергии вы знаете? Как измеряется внутренняя энергия? В чем сущность первого начала термодинамики?
5. Приведите уравнение состояния идеального газа. Какая величина является мерой средней кинетической энергии молекул? Можно ли передать телу некоторое количество теплоты без изменения его температуры?
6. Дайте понятие об обратимых и необратимых процессах. Приведите примеры. Как строится термодинамика открытых систем? Дайте представление о прямой и обратной связи в сложной системе.
7. Когда возникает металлическая связь? Дайте представление о теории металлов (классической и квантовой), полупроводниках, диэлектриках и изоляторах.
8. Поясните, как распределяется на Земле солнечная энергия. Дайте понятие о негэнтропии солнечного излучения.
9. Поясните смысл гипотезы Планка о дискретном характере испускания света? Насколько были решены при этом противоречия в теории теплового излучения?
10. Каково строение Солнца и его атмосферы? Каковы проявления и закономерности солнечной активности? В каком состоянии находится солнечное вещество? Каков состав солнечного излучения? Что такое солнечный ветер? Как он проявляется на Земле?
Список литературы
1. Как определили возрасты Солнца, звезд, Вселенной? Каков диапазон временных интервалов во Вселенной?
Метод радиоактивного распада — важнейший метод определения больших временных диапазонов в последние полвека. Известно, что все живое получает двуокись углерода из воздуха. Некоторая часть углерода — радиоактивна, и любой образец вещества, приготовленный из живого, содержит эту же долю радиоактивного углерода. Измеряя скорость отсчетов для какого-то образца, можно вычислить, сколько лет прошло с того времени, когда данный кусок доски был живым деревом. В детекторе «свежее» вещество даст 16 отсч./мин на каждый грамм углерода, а за 5 600 лет оно даст только 8 отсч./мин на 1 г и т.д. Многие археологические находки «датированы» определенным количеством оставшегося в их веществе радиоактивного углерода. По нему можно определить возраст до 25 000 лет.
По периоду полураспада элементов можно заглянуть в прошлое: за это время половина вещества превращается в другой элемент, за следующий период полураспада — еще половина и т.д.
Временные интервалы: сутки — 8,64 • 104 с; год—3 • 107 с; средняя жизнь человека—2 • 109 с; средний возраст египетских пирамид — 1 • 1012 с; зарождение жизни на Земле — 7,5 • 1016 с; время появления первобытного человека — 5 • 1013с; млекопитающих — 5 • 1015с; земноводных — 7,5 • 1015с; время существования человечества — 1 • 1014 с; возраст Земли — 1,5 • 1017с; возраст Вселенной —5 • 1017с.
Период колебаний звуковой волны достигает 0,001 с, радиоволны — 10-6 с. Меньшие промежутки времени связаны с расстояниями в микромире, и их можно измерять через скорость света. За 10-9 с—свет проходит расстояние в 30 см, соответственно, можно рассчитать, что расстояние, равное размеру атома, свет проходит за 10-18 с, атомного ядра — за 10-24 с. Колебания молекул совершаются за период в 10-12 с, атома —10-15 с, ядра — 10-21 с.(1)
2. Дайте представление о научной методологии и формировании критерия истины в разное время. Чем отличается современная научная картина мира от классической? Как осуществляется преемственность идей и концепций?
На протяжении всей истории западной мысли неоднократно поднимался один и тот же вопрос: что есть возникновение нового в мире, управляемом детерминистическими законами? Впервые этим вопросом задались задолго до рождения современной науки. Платон связывал разум и истину с "миром идей" - высшим бытием, не подверженным изменениям, текучести реального мира с его постоянным "становлением". Становление - неиссякаемый поток воспринимаемых нами явлений - философ относил к сфере чистого мнения. Однако Платон сознавал ущербность такой позиции, поскольку она принижала и жизнь, и мысль. С той же трудностью столкнулись и атомисты. Чтобы допустить возникновение нового, Лукрецию пришлось ввести "клинамен" - некий фактор, возмущающий свободное падение атомов в пустоте. Обращение к клинамену часто подвергалось критике за введение в атомистическое описание чужеродного элемента. Но и через два тысячелетия мы встречаем аналогичную попытку в работе Эйнштейна, посвященной спонтанному испусканию света возбужденным атомом. Параллелизм особенно неожиданный, если мы вспомним, что Лукреций и Эйнштейн разделены, по-видимому, величайшей революцией в наших отношениях с природой - рождением новой науки. Сфера проявлений хаоса чрезвычайно расширилась и включила в себя фактически все системы, описываемые современными теориями взаимодействующих полей. Столь широкое обобщение понятий хаоса требует новой - третьей - формулировки законов физики: первая была основана на исследовании индивидуальных траекторий или волновых функций; вторая - на теории ансамблей Гиббса и Эйнштейна (с динамической точки зрения вторая формулировка не вносит новизны, поскольку, будучи примененной к отдельным траекториям или волновым функциям, сводится к первой). Теперь мы приходим к третьей формулировке, имеющей совершенно иной статус: она применима только к ансамблям и справедлива только для динамических систем. Она приводит к выводам, которые не могут быть получены ни на основе ньютоновской, ни ортодоксальной квантовой механики. Именно это новое представление, вводящее необратимость в фундамент описания природы, позволяет объединить свойства микро и макромира. С глубокой древности и до начала нынешнего столетия космос считали неизменным. Звездный мир олицетворял собой абсолютный покой, вечность и беспредельную протяженность. Открытие в 1929 году взрывообразного разбегания галактик, то есть быстрого расширения видимой части Вселенной, показало, что Вселенная не стационарна. Экстраполируя процесс расширения в прошлое, сделали вывод, что 15-20 миллиардов лет назад Вселенная была заключена в бесконечно малый объем пространства при бесконечно большой плотности и температуре вещества-излучения (это исходное состояние называют "сингулярностью"), а вся нынешняя Вселенная конечна - обладает ограниченным объемом и временем существования(2). Таким образом, на основе уже выдвинутых теорий рождаются новые, которые или доказывают их или опровергают.
3. В чем состоит эффект Доплера и какова его роль в исследовании звезд, Вселенной?
К.Доплер обнаружил зависимость частоты волнового импульса от скорости при движении источника волн относительно наблюдателя, названную эффектом Доплера. Многие не раз сталкивались с ним, когда слышали, как меняется звук предупреждающего свистка проносящегося мимо платформы поезда. Но эффект Доплера можно не только «слышать», но и «видеть», хотя бы в ванне или пруду. Периодически погружая палец в воду, чтобы на поверхности образовались волны, равномерно перемещайте его в одном направлении. Следуя друг за другом, гребни волн будут сгущаться в направлении движения пальца и станут более разреженными с другой стороны. Значит, длина волны в направлении вперед станет меньше обычной, в направлении назад — больше
Эффект Доплера имеет место для всех типов волн — звуковых в атмосфере, упругих в твердом теле, волн на воде, световых волн. Измерение доплеровского смещения в спектрах позволяет с большой точностью, не возмущая измерением движение, определить скорости движущихся объектов.
Эффект Доплера, как основной в оптике движущихся сред, сыграл решающую роль в экспериментальном обосновании специальной теории относительности.
4. Дайте понятие внутренней энергии. Какие виды внутренней энергии вы знаете? Как измеряется внутренняя энергия? В чем сущность первого начала термодинамики?
Внутренняя энергия тела, складывается из кинетической энергии молекул тела и их структурных единиц (атомов, электронов, ядер), энергии взаимодействия атомов в молекулах и т. д. Во внутреннюю энергию не входит энергия движения тела как целого и потенциальная энергия, которой может обладать тело в каком-либо силовом поле (гравитационном, магнитном и др.). С точки зрения термодинамики под внутренней энергией тела понимают сумму кинетической энергии хаотического движения составляющих ее частиц и потенциальной энергии их взаимодействия.
Для случая перехода системы из состояния 1 в состояние 2 можно записать следующее равенство, позволяющее рассчитать изменение внутренней энергии DU1-2:
DU1-2 = Q1-2 + A1-2' = Q1-2 - A1-2
или
Q1-2 = DU1-2 + A1-2,
где A1-2 - работа, совершаемая системой против действия внешних сил;
A1-2' - работа, совершаемая внешними силами над системой
Q1-2 - количество теплоты, сообщенное системе.
При переходе к бесконечно малым изменениям будет справедливо следующее равенство:
δQ = dU + δA,
где величины элементарного количества теплоты δQ и работы и δA положительны, если теплота подводится к системе и система совершает работу над внешними силами.
Для бесконечно малых приращений параметров состояния первое начало термодинамики можно сформулировать: элементарное количество теплоты, сообщенное термодинамической системе, идет на изменение ее внутренней энергии и совершение системой работы. Количество теплоты, как следует из первого начала термодинамики, измеряется в тех же единицах, что работа или энергия, т.е. в Джоулях. Существует механический эквивалент теплоты, определенный экспериментально. 1 Дж = 4.19 кал.
Состояние данной массы газа полностью определено, если известны его давление, температура и объем. Эти величины называют параметрами состояния газа. Уравнение, связывающее параметры состояния, называют уравнением состояния.
Для произвольной массы газа состояние газа описывается уравнением Менделеева — Клапейрона:
pV = mRT/M,
где р — давление, V — объем, m — масса, М — молярная масса, R — универсальная газовая постоянная.
Физический смысл универсальной газовой постоянной в том, что она показывает, какую работу совершает один моль идеального газа при изобарном расширении при нагревании на 1 К (R = 8,31 ДжДмоль • К)).
Уравнение Менделеева — Клапейрона показывает, что возможно одновременное изменение трех параметров, характеризующих состояние идеального газа. Однако многие процессы в газах, происходящие в природе и осуществляемые в технике, можно рассматривать приближенно как процессы, в которых изменяются лишь два параметра. Особую роль в физике и технике играют три процесса: изотермический, изохорный и изобарный.
От температуры зависит величина средней кинетической энергии молекул. Поэтому говорят, что температура - мера средней кинетической энергии молекул.
Таким образом, передать телу некоторое количество теплоты без изменения его температуры нельзя.
6. Дайте понятие об обратимых и необратимых процессах. Приведите примеры. Как строится термодинамика открытых систем? Дайте представление о прямой и обратной связи в сложной системе.
Процесс, в ходе которого термодинамические параметры во всех точках одинаковы, называется равновесным. Его на графике можно изображать сплошной линией.
Неравновесным называется процесс, в котором условия равновесности не соблюдаются. Такой процесс на графике можно изображать пунктиром.
Любой равновесный процесс теоретически обратим, т.е. его можно «пустить» в обратном направлении. Неравновесный - необратим, т.к. он стремится в направлении установления равновесия. Пример необратимого процесса - переход механической энергии в тепло.
Открытые системы, в которых наблюдается прирост энтропии, получили название диссипативных. В таких системах энергия упорядоченного движения переходит в энергию неупорядоченного хаотического движения, т.е. в тепло. Если замкнутую систему вывести из состояния равновесия, то в ней начнутся процессы, возвращающие ее к состоянию термодинамического равновесия, в котором ее энтропия достигает максимального значения. Со временем степень неравновесности будет уменьшаться, однако, в любой момент времени ситуация будет неравновесной. В случае открытых систем отток энтропии наружу может уравновесить ее рост в самой системе. В этих условиях может возникнуть и поддерживаться стационарное состояние.
Сложная система - составной объект, части которого можно рассматривать как отдельные системы, объединенные в единое целое в соответствии с определенными принципами или связанные между собой заданными отношениями. Части сложной системы (подсистемы) можно расчленить на более мелкие подсистемы и т. д., вплоть до выделения элементов сложной системы. Свойства сложной системы в целом определяются как свойствами составляющих ее элементов, так и характером взаимодействия между ними, т.е. связь бывает прямой и обратной.
7. Когда возникает металлическая связь? Дайте представление о теории металлов (классической и квантовой), полупроводниках, диэлектриках и изоляторах.
Связь, которая образуется в результате взаимодействия относительно свободных электронов с ионами металлов, называются металлической связью. Этот тип связи характерен для простых веществ- металлов.
Сущность процесса образования металлической связи состоит в следующем: атомы металлов легко отдают валентные электроны и превращаются в положительные заряженные ионы. Относительно свободные электроны, оторвавшиеся от атома, перемещаются между положительными ионами металлов. Между ними возникает металлическая связь, т. е. Электроны как бы цементируют положительные ионы кристаллической решетки металлов.
Классическая теория - электроны ведут себя, как атомы идеального газа, но сталкиваются не между собой, а с ионами кристаллической решетки, чем объяснялось сопротивление металлов. Согласно классической теории, один грамм-моль вещества, содержащий N частиц, должен обладать энергией 3RT или теплоемкостью в 6 кал/моль.
Квантовая теория металлов - внешние электроны обладают коллективными свойствами, и их кинетическая энергия должна быть порядка ионизационного потенциала, т.е. (5-10) эВ вместо 3 • 10~2 эВ. Впоследствии была учтена разработанная для электронов в соответствии с принципом Паули статистика Ферми-Дирака, волновая природа электронов, и движение их в решетке металла стали рассматривать как рассеяние электронных волн. «Валентные электроны» в металле приобрели черты сжатого газа, который подчиняется статистике не Максвелла, а Ферми-Дирака.
Полупроводники характеризуются тем, что электроны полностью занимают валентную зону. Поэтому для увеличения энергии электрона ему нужно сообщить энергию, достаточную для преодоления запрещенной зоны. Поэтому электрические свойства кристалла определяются шириной запрещенной зоны. Электрическое поле не в состоянии сообщить такую энергию, и для небольшой ширины зоны может быть достаточно тепловой энергии. Изоляторы имеют большую ширину запрещенной зоны, и тепловой энергии уже недостаточно для перевода электронов через нее.
Собственная проводимость возникает в результате переходов электронов с верхних уровней валентной зоны в зону проводимости. Так идут два процесса: появление попарно свободных электронов и дырок и рекомбинация, которая приводит к попарному исчезновению электронов и дырок. В отсутствие поля они движутся хаотически. При включении поля происходит перенос заряда в кристалле, который накладывается на хаотическое движение.
8. Поясните, как распределяется на Земле солнечная энергия. Дайте понятие о негэнтропии солнечного излучения.
Солнечная энергия распределена неравномерно - в экваториальных широтах поверхность Земли перпендикулярна падающим лучам Солнца и нагрев максимальный, а в полярных широтах те же лучи, падая под углом на поверхность Земли, нагревают гораздо большие по площади участки - минимальный нагрев.
Из-за наклона оси вращения в зависимости от времени года область, получающая максимальное количество солнечной энергии перемещается в интервале от 12 с.ш. во время летнего солнцестояния в северном полушарии ( 21 июня) до 8 ю.ш. во время летнего солнцестояния в южном полушарии ( 21 декабря - в северном полушарии в это время зимнее солнцестояние, соответственно).
Земные источники энергии - термальные воды, тектоническая и вулканическая активность - вносят малую долю от потока энергии, поступающей на поверхность Земли от Солнца. Температура земной поверхности - около 300 градусов по Кельвину, солнечной поверхности - около 6000. Поступающая при такой колоссальной разности температур энергия имеет очень низкую энтропию, она вызывает движение воздуха и морские течения, круговорот воды в природе, является источником жизни. Первичным живым потребителем негэнтропии солнечного излучения являются зеленые растения. Они преобразуют минеральные вещества и органические остатки в высокоорганизованные вещества за счет этой негэнтропии. Растениями питаются травоядные животные, травоядными - плотоядные. На каждом этапе происходят потери негэнтропии, растет энтропия, выделяемая в отходах, биомассы на верхних уровнях пищевой пирамиды становится все меньше. Пройдя все ступени превращений, все вещества вновь возвращаются в деградированное состояние. Непрерывный круговорот жизни, так же, как и круговорот воды, требует очень высокой оплаты. Природа оплачивает этот круговорот низкой энтропией и большим количеством солнечной энергии. Этим же источником энергии и негэнтропии оплачена в течение двух-трех миллиардов лет вся эволюция жизни на Земле(3).
9. Поясните смысл гипотезы Планка о дискретном характере испускания света? Насколько были решены при этом противоречия в теории теплового излучения?
Первоначально гипотеза Планка в ее наиболее смелой форме состояла в предположении, что вещество может поглощать энергию излучения только конечными порциями, пропорциональными частоте. Успех теории черного излучения подтвердил справедливость этой гипотезы. Но если эта гипотеза верна, то представляется вполне вероятным, что дискретная природа света, проявляющаяся в моменты поглощения и испускания, должна сохраняться также и в остальные промежуточные моменты времени, т.е. тогда, когда излучение свободно распространяется в пространстве.
Эйнштейн объяснил данные наблюдений, опираясь на гипотезу Планка, которую он интерпретировал с помощью предположения, что свет состоит из так называемых световых квантов, то есть из квантов энергии, которые движутся в пространстве подобно маленьким корпускулам. Энергия отдельного светового кванта, в согласии с гипотезой Планка, должна равняться частоте света, помноженной на постоянную Планка.
Гипотеза Планка противоречит классической электродинамике, поскольку, согласно последней, электромагнитные волны излучаются зарядом, движущимся ускоренно. Ускорение же частиц никаких скачков не предполагает.
За тридцать лет своего существования гипотеза о дискретности природы света оказалась настолько плодотворной, что в настоящее время уже не остается сомнений в ее достоверности. Она открывает новую существенную сторону физической реальности. Но эта гипотеза встречает на своем пути также трудности и вызывает возражения, возникшие еще во времена первых работ Эйнштейна по квантовой теории света.
Прежде всего, возникает вопрос, как совместить дискретность структуры света с волновой теорией, столь неоспоримо подтвержденной многими точными экспериментами? Как совместить между собой существование неделимого кванта света и явления интерференции? В частности, как показал Лоренц, невозможно определить разрешающую способность оптических инструментов (например, телескопа), исходя из предположения о концентрации световой энергии в фотонах, локализованных в пространстве(4).
10. Каково строение Солнца и его атмосферы? Каковы проявления и закономерности солнечной активности? В каком состоянии находится солнечное вещество? Каков состав солнечного излучения? Что такое солнечный ветер? Как он проявляется на Земле?
Солнце представляет собой сферически симметричное тело, находящиеся в равновесии. Всюду на одинаковых расстояниях от центра этого шара физические условия одинаковы, но они заметно меняются по мере приближения к центру. Плотность и давление быстро нарастают вглубь, где газ сильнее сжат давлением вышележащих слоёв. Следовательно, температура также растёт по мере приближения к центру. В зависимости от изменения физических условий Солнце можно разделить на несколько концентрических слоёв, постепенно переходящих друг в друга.
Солнечная атмосфера так же состоит из нескольких различных слоёв. Самый глубокий и тонкий из них - фотосфера, непосредственно наблюдаемая в видимом непрерывном спектре. Толщина фотосферы приблизительно около 300 км. Чем глубже слои фотосферы, тем они горячее. Во внешних более холодных слоях фотосферы на фоне непрерывного спектра образуются Фраунгоферовы линии поглощения. Во время наибольшего спокойствия земной атмосферы можно наблюдать характерную зернистую структуру фотосферы. Чередование маленьких светлых пятнышек - гранул - размером около 1000 км, окруженных тёмными промежутками, создаёт впечатление ячеистой структуры - грануляции.
Радиоизлучение Солнца имеет две составляющие - постоянную и переменную. Во время сильных солнечных вспышек радиоизлучение Солнца возрастает в тысячи и даже миллионы раз по сравнению с радиоизлучение спокойного Солнца. Рентгеновские лучи исходят в основном от верхних слоёв атмосферы и короны. Особенно сильным излучение бывает в годы максимума солнечной активности. Солнце излучает не только свет, тепло и все другие виды электромагнитного излучения. Оно также является источником постоянного потока частиц - корпускул. Нейтрино, электроны, протоны, альфа-частицы, а так же более тяжелые атомные ядра составляют корпускулярное излучение Солнца. Значительная часть этого излучения представляет собой более или менее непрерывное истечение плазмы - солнечный ветер, являющийся продолжением внешних слоёв Солнечной атмосферы - солнечной короны. На фоне этого постоянно дующего плазменного ветра отдельные области на Солнце являются источниками более направленных, усиленных, так называемых корпускулярных потоков.
Солнечная активность - совокупность явлений, периодически возникающих в солнечной атмосфере. Проявления солнечной активности тесно связаны с магнитными свойствами солнечной плазмы. Возникновение активной области начинается с постепенного увеличения магнитного потока в некоторой области фотосферы. В соответствующих местах хромосферы после этого наблюдается увеличение яркости в линиях водорода и кальция. Такие области называют флоккулами. Примерно в тех же участках на Солнце в фотосфере (т.е. несколько глубже) при этом также наблюдается увеличение яркости в белом (видимом) свете - факелы. Увеличение энергии, выделяющейся
в области факела и флоккула, является следствием увеличившихся до нескольких десятков экстред напряженности магнитного поля. Затем в солнечной активности наблюдаются солнечные пятна, возникающие через 1-2 дня после появления флоккула в виде маленьких чёрных точек - пор. Многие из них вскоре исчезают, и лишь отдельные поры за 2-3 дня превращаются в крупные тёмные образования. Типичное солнечное пятно имеет размеры в несколько десятков тысяч километров и состоит из тёмной центральной части - тени и волокнистой полутени. Важнейшая особенность пятен - наличие в них сильных магнитных полей, достигающих в области тени наибольшей напряжённости в несколько тысяч экстред. В целом пятно представляет собой выходящую в фотосферу трубку силовых линий магнитного поля, целиком заполняющих одну или несколько ячеек хромосферной сетки(5).
Список литературы
1. Горелов А.А. Концепции современного естествознания. – М.: Библионика, 2006.
2. Гусейханов М.К., Раджабов О.Р. Концепции современного естествознания. – М.: Просвещение, 2002.
3. Дубнищева Т.Я. Концепции современного естествознания. – Новосибирск: НГУЭУ, 2005.
4. Концепции современного естествознания. / Аруцев А.А., Ермолаев Б.В., Кутателадзе И.О., Слуцкий М.С. – М.: Просвещение, 2000.
5. Поиски жизни в Солнечной системе. - М.: Мир, 1988.