Концепции современного естествознания

p align="left">

Литература

1. Авакян С.В., Коваленок В.В. Неопознанные явления - “проделки” плазмы?/Природа, 1992, 6

2. В поисках истины (Мигдал)/ Природа, 1992, 4

3. Торн К.С. Черные дыры и искривление времени: дерзкое наследие

4. Эйнштей на/ Природа, 1994, 1, 2, 5, 7, 8, 10, 11

5. Шрейдер Ю.А. Препятствие - логика/ Природа. 1992. 1

Тема 1.1. Физика необходимого

Мир дискретных объектов - физика частиц

Учение о дискретном, корпускулярном строении материи возникло в античной философии (атомистика Левкиппа - Демокрита). Согласно Демокриту материя состоит из атомов, которые есть предел ее физической делимости, а пространство - из амер, которые есть предел математической делимости пространства.

С появлением физики и химии атомистическая гипотеза стала естественнонаучным учением. Атом стал рассматриваться как наименьшая часть химического элемента, являющаяся носителем его химических свойств. Наряду с понятием атома было введено представление о молекуле, которая представляет собой наименьшее количество вещества, вступающее в реакцию.

Применение атомистики позволило решить ряд фундаментальных проблем физики и химии: механизм химических реакций, природа тепловых процессов, статистический характер закона возрастания энтропии и др. М.Планк показал, что процессы поглощения и излучения энергии носят дискретный характер. Эйнштейн теоретически обосновал идею дискретности электромагнитного поля. Согласно квантовой теории любое физическое поле имеет дискретную природу.

Дискретность проявляется и в макромире, где существуют обособленные друг от друга клетки, многоклеточные организмы, виды, экосистемы.

Состояние физической системы и его изменение со временем

Состояние системы - физическая характеристика системы, определяемая значениями характерных для системы физических величин.

Состояние материальной точки в механике определяется заданием координат и скорости. Закон движения m*Dv/Dt=F связывает ее состояния в различные моменты времени. Если известны начальные координаты и скорость точки, а также силы как функции координат, то тем самым полностью определяется все последующее движение материальной точки. Задав любой момент времени из приведенной формулы можно определить координаты и скорость точки в этот момент.

Для количественного изучения движения любых объектов необходимо иметь систему отсчета. Под системой отсчета понимают систему координат и часы, связанные с телом отсчета.

В качестве системы координат пользуются прямоугольной декартовой системой. В качестве часов используется любой периодический процесс, который осуществляется в природе.

Если в качестве тела отсчета берут свободно движущееся тело, то система отсчета называется инерциальной. Инерциальных систем отсчета можно выбрать сколько угодно, и все они будут относительно друг друга двигаться по инерции. Нет критерия, по которому мы могли бы предпочесть одну инерциальную систему отсчета другой, также инерциальной. Все инерциальные системы отсчета являются физически эквивалентными.

Какое бы физическое явление ни рассматривалось, с точки зрения любых инерциальных систем отсчета оно выглядит совершенно одинаковым. Это означает, что математическая формулировка закона природы должна быть таковой, чтобы она не менялась при переходе от одной инерциальной системы отсчета к другой. Это положение в физике называют принципом относительности.

Если известно положение материальной точки в одной инерциальной системе отсчета, то можно определить ее положение в другой инерциальной системе, используя преобразования Галилея:

x = x' + Vt,

t = t'

Второе равенство выражает абсолютность времени, т.е. его независимость от выбора инерциальной системы отсчета.

Равенства

Dx = Dx'

Dt = Dt'

выражают независимость длин и промежутков времени от выбора инерциальных систем отсчета. Другими словами, размеры тел и ход времени не зависят от того, что эти тела находятся в состоянии движения.

Из равенства

v = v' + V

следует, что скорость есть понятие относительное; ее значение зависит от выбора системы отсчета. В частности, если в некоторой системе отсчета тело покоится, то относительно всех других оно движется с той или иной постоянной скоростью. Если положить v'=0, то v = V.

Равенство

Dv/Dt=Dv'/Dt'

означает, что ускорения тел во всех инерциальных системах одинаковы.

В 1905 году Эйнштейном опубликована специальная теория относительности. Два основных постулата отличают специальную теорию относительности от классической физики:

1) обобщенный принцип относительности, утверждающий, что во всех инерциальных системах отсчета законы механики одинаковы;

2) предельная скорость распространения взаимодействий совпадает со скоростью света в вакууме (Ньютоновская механика утверждает, что в принципе возможно распространение взаимодействий, передача сигналов, информации с бесконечной скоростью).

Преобразования Лоренца учитывают существование предельной скорости, но содержат преобразования Галилея как предельный случай, когда скорости v<c.

С точки зрения движущихся систем отсчета размеры тел или расстояния между двумя точками в пространстве уменьшаются.

Темп времени у движущихся часов замедляется. Преобразования Лоренца имеют в современной физике фундаментальное значение. Механику, учитывающую наличие предельной скорости c, называют релятивистской.

Два следствия из СТО: 1 - одновременность двух событий относительна. Если два события, произошедшие в разных точках, одновременны в одной инерциальной системе отсчета, то они не одновременны во всех других системах.

2 - тело с массой покоя m обладает энергией . Она может выделяться, если уменьшить массу тела. Она и выделяется: чуть-чуть при химических реакциях и в миллионы раз интенсивнее при ядерных реакциях.

В классической физике принцип относительности утверждался только для законов механики. В специальной теории относительности он провозглашен как общий закон природы. Согласно ему законы природы инвариантны во всех инерциальных системах отсчета.

Законы динамики и детерминизм Лапласа. В 1687 году Исаак Ньютон издал свою важнейшую работу “Начала”. Ньютон не изобрел динамику; напротив, он максимально использовал работы предшественников, особенно детальные эксперименты и рассуждения Галилея. Величайшей заслугой Ньютона было полное описание динамики движущихся тел.

Первый закон Ньютона или закон инерции: если действующая на тело результирующая сила равна нулю, то ускорение тела равно нулю и тело движется с постоянной скоростью.

Fрез=0 ? a = 0, или v = const.

Таким образом, если к телу, находящемуся в состоянии покоя, не приложено никаких сил, оно продолжает оставаться в состоянии покоя; если тело движется, оно сохраняет постоянную скорость.

Второй закон Ньютона: Ускоренное движение тела может быть вызвано только силой, приложенной к этому телу. Ускорение пропорционально действующей на тело силе, причем коэффициент пропорциональности характеризует инерцию, или массу тела, т.е. F=ma.

Третий закон Ньютона: если тело 1 действует на тело 2 с какой-либо силой, то тело 2 действует на тело 1 с равной противоположно направленной силой. Таким образом, любая сила всегда встречается в паре с равной по величине противодействующей силой, т.е. F12 = -F21. Это соотношение позволяет нам, по крайней мере в принципе, дать точное определение массы.

Третий закон выполняется приближенно, но с очень высокой степенью точности, если взаимодействующие тела расположены так близко друг к другу, что воздействие передается за время, практически равное нулю.

Открытие законов механики послужило основой для формирования механистической картины мира, согласно которой миром правят строгие однозначные законы, не допускающие никаких случайностей. Течение всех процессов определялось начальными условиями, мир представлялся состоящим из вечных, неделимых частиц, движение которых всегда можно описать с помощью законов механики.

Согласно представлениям того времени чья-то смерть или рождение, хорошая погода сегодня или война в будущем были предопределены существовавшим до этого расположением и скоростью частиц, составляющих Вселенную. “Природа проста и не роскошествует излишними причинами”, - утверждал один из создателей механистической картины мира - Исаак Ньютон.

Лаплас: “Мы можем рассматривать настоящее состояние Вселенной как следствие ее прежних состояний и как причину для будущих. Разумное существо, которое могло бы знать в какой-то момент времени все действующие в природе силы, а также соответствующие положения всех составных частей природы, смогло бы, при наличии достаточных аналитических способностей для оценки этих данных, охватить движение небесных тел и мельчайших атомов с помощью одной формулы. Ничто не укрылось бы от существа; прошедшее и будущее, в равной степени открытые, легли бы перед ним”.

С открытием статистических закономерностей, которые вошли в науку с работами Дарвина, Максвелла, Больцмана, начали формироваться новые представления о мире, которые более адекватно отражали существующие в нем взаимосвязи.

Импульс, энергия и момент системы как меры движения

Для материальной точки произведение массы тела (или частицы) на его скорость называют его импульсом p=mv.

Энергия представляет собой способность совершать работу. Существует три основных вида энергии:

1) кинетическая энергия, характеризующая состояние движения тела,

2) потенциальная энергия, обусловленная силами, действующими на тело со стороны других тел,

Eпот=mgh,

3) собственная энергия, связанная с массой покоя тела формулой Эйнштейна

Момент импульса (момент количества движения) есть произведение расстояния от тела до оси вращения на перпендикулярную компоненту импульса

L=rp=rmv.

Момент импульса является векторной величиной. Направление вектора момента импульса совпадает с направлением перемещения винта с правой нарезкой, если винт вращается в ту же сторону, что и объект.

В изолированной системе различные формы энергии могут превращаться друг в друга без потерь. Иными словами, в любом физическом процессе энергия сохраняется.

Например, потенциальная энергия может превращаться в кинетическую и обратно без всяких потерь. Иными словами, тело массой m, падая с высоты h, приобретает кинетическую энергию , равную потенциальной mgh.

Чтобы применять законы сохранения для совокупностей частиц (систем) или для макроскопических тел, следует отыскать ту точку системы или тела, которая всегда движется в соответствии с законами сохранения. Такая точка называется центром масс системы.

1. В отсутствие внешних сил центр масс системы движется с постоянной скоростью.

2. Если к системе как к единому целому приложена сила F, то центр масс приобретает ускорение a = F/M, где M - общая масса системы.

3. В отсутствие моментов внешних сил полный момент импульса системы относительно ее центра масс остается постоянным.

Мир непрерывных объектов - физика полей (континуум)

Представление о континууме также родилось в античную эпоху и выразилось, в частности, в лестнице веществ и существ Аристотеля.

Понятие континуума как одно из уточнений категории непрерывности имеет важные методологические функции. Например, Готфрид Вильгельм Лейбниц (1646-1716) считал, что непрерывность обладает онтологическим статусом (“Природа не делает скачков”) и выступает необходимым условием истинности законов природы. Учение, согласно которому все тела сложены из простых элементов, совершенно правильно. Но атомы не могут быть такими элементами: их неделимость - фикция, ибо материя делима до бесконечности. Неделимыми могут быть только атомы нематериальные, силовые. Их Лейбниц назвал монадами.

Идею непрерывности развил далее Боннэ (1720-1793) в форме “лестницы существ”: природа не терпит скачков; все в ней совершается постепенно и равномерно путем оттенков. Вот почему между классами или родами организмов существуют промежуточные группы. Существует постепенный переход от человека к животному, от животного к растению и от растения к минералу.

В физике под континуумом понимается идеализированная модель единого физического пространства-времени. Она получается путем отождествления точек геометрического континуума с точками физического пространства-времени и определения на геометрическом континууме метрических отношений и функциональных связей посредством мысленного воспроизведения движений твердых тел (в классической механике) или световых сигналов (в теории относительности).

В соответствии с представлениями общей теории относительности метрическая структура пространственно-временного континуума детерминируется распределением плотности вещества и излучения во Вселенной. Континуальная модель физического пространства-времени - результат становления и развития классической математики и классической (неквантовой) физики.

Сплошная среда и упругие волны

Волной называют распространение в пространстве изменения состояния. Изменение состояния в физике означает изменение значения какой-либо физической величины. Например, при распространении звуковых волн в каждой точке пространства изменяется с течением времени деформация (сжатие-разрежение), в случае электромагнитной волны - значения напряженности электрического и магнитного полей

Волновое движение возникает в том случае, если движение данной частицы влияет на движение соседних с ней частиц и испытывает их влияние.

Примеры волнового движения: морские волны, звуковые волны, электромагнитные (световые и радиоволны).

Если частицы перемещаются перпендикулярно направлению распространения волны, волны называются поперечными. Если частицы перемещаются взад-вперед вдоль направления распространения волны, волны называются продольными. Помимо бегущих волн бывают волны стоячие. Синусоидальная волна, форма которой между двумя закрепленными точками остается неизменной, а амплитуда меняется в зависимости от времени, называется стоячей волной.

Волны, распространяющиеся прямолинейно вдоль струны или пружины, называются одномерными. От источника звука в воздухе распространяются сферические (трехмерные) звуковые волны. Колеблющаяся доска возбуждает на поверхности воды двумерные плоские волны.

Взаимодействие: концепции близкодействия и дальнодействия

Большинство сил, с которыми мы имеем дело в повседневной жизни, представляют собой силы контактного типа, возникающие при соприкосновении. В древности для людей реальными были только контактные силы. Казалось совершенно невероятным, что Солнце действует реальной силой на Землю, поскольку между этими телами нет контакта.

Создание Ньютоном теории всемирного тяготения привело к возникновению совершенно новых представлений. Согласно этой теории, Земля, Луна, Солнце и вообще все планеты действуют друг на друга определенными силами, несмотря на то, что они не соприкасаются и между ними нет никакой материальной среды, которая могла бы передавать действие сил.

Для описания гравитационного взаимодействия пришлось ввести понятие о “действии на расстоянии”. Ньютон не пытался объяснить, почему действие гравитационной силы передается через пустоту. Для решения проблемы сил, действующих на расстоянии, “изобрели” эфир. Представление об эфире просуществовало вплоть до начала нашего века и было окончательно развенчано теорией относительности Эйнштейна. Место теории эфира заняла теория поля.

Любую физическую величину, которая имеет вполне определенное значение в каждой точке пространства, можно рассматривать как величину, характеризующую поле.

С математической точки зрения поле - это произвольная функция или набор функций, координат r = x,y,z и времени t.

Большинство представляющих интерес для физики полей являются векторными; к ним относятся гравитационное, электрическое, магнитное и другие поля.

Соответствующая величина, характеризующая поле, изменяется в пространстве непрерывно в математическом смысле. Именно таким образом меняются некоторые физические величины, к примеру вектор гравитационной силы.

Электромагнитное поле и электромагнитные волны

С открытием М.Фарадея в науку вошло представление об электромагнитном поле как о материальной среде, как о непрерывной материи, заполняющей пространство. Поле является материальной субстанцией. Электромагнитная картина мира утвердилась благодаря работам Максвелла.

Майкельсон доказал, что свет - электромагнитное поле - сам является видом материи, для его распространения нет необходимости в какой-либо среде - эфире.

Эйнштейн, будучи еще шестнадцатилетним юношей, подолгу размышлял о свойствах электромагнитного поля, и в частности о том, каким представлялось бы электромагнитное поле для наблюдателя, который “летит” вдогонку за ним со скоростью света. Впоследствии он рассказывал, что никак не мог себе представить, каким было бы электромагнитное поле для такого наблюдателя, и, наверное, из этой невозможности родилась позже уверенность, что “луч света нельзя догнать”: с какой бы скоростью мы ни гнались за ним, он уходит от нас со скоростью 300 000 км/сек - скорость света во всех инерциальных системах отсчета одинакова. Это один из постулатов специальной теории относительности.

При ускоренном движении электрических зарядов возникает изменяющееся во времени электромагнитное поле и источник испускает электромагнитные волны. Электромагнитное излучение обладает энергией и импульсом. Например, электромагнитное излучение переносит на Землю энергию Солнца и снабжает ее светом и теплом, необходимыми для поддержания жизни. Импульс, связанный с падающей на Землю солнечной энергией, очень мал, поэтому мы его не замечаем (не испытываем давления, обусловленного импульсом световых волн). Однако действие импульса солнечного излучения (радиационное давление, или давление света) можно видеть, наблюдая хвосты комет. Под действием радиационного давления хвосты комет направлены от Солнца.

Многообразие диапазонов электромагнитного излучения.

{bml ris1.bmp}

Электронные методы позволяют генерировать электромагнитные волны с частотами до Гц. Эта область частот простирается от радиоволн до микроволн.

В диапазоне радиоволн работают обычное радиовещание, телевидение, воздушная и морская связь, любительские радиостанции; радиолокация и радиорелейные линии используют микроволновый (сверхвысокочастотный) диапазон.

Для генерации излучения с частотами выше микроволнового диапазона используется излучение атомов. Верхний предел частот, которые могут генерировать атомные системы, составляет около Гц; излучение более высоких частот (гамма-лучи) испускается атомными ядрами.

Различные диапазоны электромагнитных волн получили разные названия, но все эти виды излучения имеют единую природу и отличаются друг от друга только своими частотами

Интерференция, дифракция и поляризация света

В любых волновых процессах, где складываются две или несколько волн, происходит интерференция. Импульсы противоположных знаков при встрече гасят друг друга - это деструктивная интерференция. Если знаки импульсов одинаковы, то при встрече они складываются - это конструктивная интерференция.

Дифракция вызывает огибание волной препятствия и заставляет волну расходиться после прохождения через узкое отверстие.

В 1808 году французский физик Э.Малюс на основании опытов с кусками исландского шпата и опираясь на корпускулярную теорию света Ньютона, предположил, что корпускулы в солнечном свете ориентированы беспорядочно, но после отражения от какой-либо поверхности или прохождения сквозь анизотропный кристалл они приобретают определенную ориентацию. Такой “упорядоченный” свет он назвал поляризованным.

При распространении электромагнитной волны в ней совершают колебания вектор напряженности электрического поля E и вектор индукции магнитного поля B. Эти векторы взаимно перпендикулярны и лежат в плоскости, перпендикулярной распространению волны. Если колебания вектора E происходят в одной плоскости, то говорят, что свет плоскополяризован.

Квант света, излученный атомом, поляризован всегда. Однако излучение макроскопического источника света (Солнце, электролампа) является суммой излучений огромного числа атомов, которые излучают свет с различной поляризацией. Такой свет называется неполяризованным. Для выделения из неполяризованного света части, обладающей желаемой поляризацией, используют поляризаторы (кристалл исландского шпата или турмалина, искусственные поляризаторы).

Страницы: 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10, 11, 12, 13, 14, 15, 16, 17, 18, 19, 20, 21, 22