Галактики – изучение на компьютерном практикуме

Лекция 1

 

Наука – часть культуры.

Черты современной науки:

1. Наука общезначима, то есть полученные знания пригодны для всех людей на Земле.

2. Язык науки – формулы и символы, которые понятны всем вне зависимости от национальности и языка.

3. В любом научном исследовании присутствуют элемент незавершенности – Никогда нельзя знать до конца. Нет абсолютной истины!

4. Наука внеморальна. Все, что исследуется морально и этически нейтрально. Учёный морален и отвечает за своё исследование.

5. Преемственность. Новые знания всегда соотносятся со старыми.

6. Наука достоверна: все научные выводы проходят неоднократную теоретическую и практическую проверку.

 

Динамика развития современной науки.

 

Развитие науки определяется внутренними и внешними факторами.

 

Внутренние – динамика развития самой науки внутри себя. (Отрицательный результат является результатом!) Скачкообразность развития науки (внутренний фактор).

 

Всегда имеется качественно отличие новой теории от старой (Может быть и полный отказ от теории [теплород]). Развитие происходит революционно!

 

Внешние – влияние государственной системы. Государство часто тормозит развитие науки.

Противоречивость современной науки.

 

Фрагментарность: изучение по частям, без влияния внешних факторов. Раньше способствовала развитию науки, теперь мешает. Анализ – прошлое, для современной науки характерен синтез, комплексность.

Примеры синтеза: биохимия, физхимия, экология.

Природе вредят незамкнутые циклы, например:

Крекинг нефти – бензин – ДВС – ВОЗДУХ!!!

Калифорнийский телескоп обошелся США в 18 миллиардов долларов.

 

В проект «Геном человека» ежегодно вкладывается 4-5 миллиардов долларов.

В развитых странах на науку затрачивается 3-4% ВВП. В РФ – 2,85% ВВП.

От развития науки зависит обороноспособность, производственный потенциал.

В XX-м веке объем научной информации удваивался каждые 10-15 лет, в XXI – 5-8 лет. Бурно сейчас развиваются биология, космонавтика.

В 1900-м году в мире было 100 тыс. учёных, а в конце XX в. было 5,5 миллионов – 1 из 800 землян.

Естествознание – это раздел науки, который изучает явления и законы природы.

Цель естествознания – описать, систематизировать и объяснить природные явления и процессы.

Найти причинно-следственную связь.

Основные: Механика, физика, химия, биология.

Смежные: физхимия, биохимия, биофизика.

Прикладные: Геохимия, география, палеонтология.

 

Концепции – это система взглядов на одну и ту же проблему с разных сторон. Современные концепции – это освещение наиболее перспективных направлений в естествознании.

Естественные науки – базисный фундамент экономики.

 

· Естественные науки направлены на познание природы.

· Технические науки направлены на преобразование природы.

· Математические науки – исследование знаковых систем (модели).

· Фундаментальные науки направлены на изучение базисных структур мира: физика, химия, астрономия, биология…

· Прикладные науки направлены на решение практических задач по результатам фундаментальных исследований.

· Теоретические прикладные направлены на изучение научно-теоретических вопросов (Физика металлов, физика полупроводников).

· Практические прикладные направлены на решение прикладных задач (Металловедение, полупроводниковая технология).

· Прикладная наука выгоднее в плане субсидирования – даёт относительно быстрый оборот денег, поэтому субсидирование коммерческое тоже. Фундаментальные науки субсидируются только государством из-за больших сроков обращения (20, 50, 100 лет).

Сокращаются расходы на фундаментальные исследования.

 

Фундаментальные проблемы – проблемы, возникающие внутри самой науки, и разработка этих проблем поднимает науку на более высокий уровень развития, но извне может не требоваться.

Прикладные науки – основанные на требованиях извне.

 

Только фундаментальные исследования двигают науку вперед.

От государства выдвигается требование к фундаментальным наукам:

 

· Поддержка высокого уровня знаний в данной области науки.

 

Естествознание и религия – борьба духовное лидерство. Борьба исторически принимала очень жестокие формы. Преподавателями до XVI века были священнослужители. Первые светские преподаватели – Дарвин, Ломоносов.

 

В XVII веке церковь уничтожила более 50000 «еретиков» - ведьм, учёных (алхимиков, астрономов).

Атеисты считают, что наука и религия несовместимы.

Наука и религия идут параллельно, у них разные объекты исследования.

Религия – это вера, объект – душа человека, поэтому обращена она внутрь человека.

В науке же объектом является реальный мир.

Требуется, чтобы церковь была отделена от управления государством.

У любого учёного, даже атеиста, есть вера, вера в то, что он делает, интуиция.

Суеверия не соотносятся ни с теологией, ни с наукой. Религия изучает догмы, не имеющие развития, в отличие от науки, которая ищет опытным путём и не основывается на вере, на догмах. Суеверия – остатки мистических и мифологических представлений, язычества.

 

Естествознание и философия.

 

Философский принцип – относительный характер понятий, законов, теорий всех наук, изучающих природу и общество.

Философское изучение мира в целом. Философские утверждения незыблемы и неопровержимы. Пример: В одну и ту же реку нельзя войти дважды.

Философия не требует эксперимента.

Основные законы природы связывают естествознание с философией:

· Причинно-следственная связь явлений.

· Любая научная истина относительна, но содержит элемент абсолютного.

· Закон перехода из количества в качество.

 

 

Лекция 2

 

Предмет естественнонаучного познания и его методы.

 

Предмет естественнонаучного познания – постижение истины.

Предела для естественнонаучного познания не существует, то есть, процесс познания для человека развивается постоянно.

Истина – это правильное, адекватное отражение объективной действительности в сознании человека.

Поэтому любая истина объективна, то есть, не зависит от человека.

 

Качества:

1. Истина относительна, то есть, она отражает объект или явление природы только на данном этапе развития науки. Но любая относительная истина содержит элемент абсолютной, иначе наука не двигалась бы вперед.

2. Истина всегда конкретна. Знания об объекте относительны к определенным условиям его существования.

 

Критерий истины – практика и эксперимент. Если научная теория подтверждена практикой, то такая теория истинна. Практика включает производительную деятельность!

Практика – движущая сила научного познания. Она не даёт науке оторваться от реальности.

Все научное знание, как и истина, всегда относительно, то есть, абсолютного знания не существует.

Задача любого учёного – расширить интервал адекватности.

 

Методы естественнонаучного познания.

Метод – это совокупность действий и приёмов, с помощью которых достигается желаемых результат. Научный метод – это инструмент для получения научных результатов.

 

На каждом уровне научного познания свой метод:

· Эмпирический метод – наблюдение, измерение, эксперимент.

· Теоретический метод – построение моделей, вывод теорий, аксиома гипотеза.

 

Приёмы:

 

· Анализ (От общего к частному)

· Синтез (От частного к общему)

· Абстрагирование – отвлечение от несущественных свойств изучаемого объекта.

· Индукция – вывод общего на основе частного.

· Дедукция – выделение частного из общего.

· Классификация – разделение объектов на группы по определенным признакам.

· Математические приемы (в частности, статистические).

 

Применение математики в естествознании.

 

Формализация – это использование специальной символики, которая заменяет конкретные реальные объекты. Формализация в естествознании – математическое описание объектов и явлений.

Краткость, чёткость, компактность записи, информация в виде математических уравнений.

 

E=mc2

 

Формализация является методом теоретического познания.

 

Употребление химических символов:

 

Ca + Cl2 CaCl2

 

Употребление биологических символов:

 

aa AA

 

Математика – универсальный язык естествознания.

 

Платон в IV веке до н.э. организовал первую академию в честь рощи Акадèма. На входе велел написать: «Не геометр да не войдёт сюда».

Галилео Галилей (XVI в.): «Книга природы написана языком математики».

Впервые в естествознании применил первым математику Птолемей – рассчитал геоцентрические орбиты.

Ньютон в классической механике применил дифференциальное и интегральное счисление для расчетов движения.

 

· Теорию вероятности и статистические методы хорошо описывают системы из большого количества частиц.

· Математическая логика (на 100 лет была забыта, в начале XX века нашла применение при создании логических машин, нашла своё место в кибернетике).

· Математическое моделирование (аналоговые устройства).

 

Аналоговые машины двигаются сейчас к созданию искусственного мозга.

Обобщения очень важны для развития науки (уравнения Максвелла).

Математический язык понимается как вид организованности Вселенной.

 

Существуют три вида:

 

1. Простейший вид организмов (уравнения, арифметика).

2. Ритмика первого порядка – математическая теория групп.

3. Ритмика второго порядка – слово.

 

Два первых вида наполняют Вселенную гармонией, чёткостью, третий наполняет Вселенную смыслом.

Естественнонаучная картина мира – это система важнейших принципов и законов, которыми можно описать окружающий мир в определенный период развития науки.

Механистическая картина мира. Никаких случайностей в механистической картине мира не было. Господствовала классическая механика.

Религиозная основа, все от Бога. Не существует движения, кроме механического. V<<C.

 

Все механические процессы подчинялись принципу сложного детерминизма.

 

Детерминизм в науке – это точное и однозначное определение состояния любой механической системы. Мир работает как отлаженная система. Детерминизм в обществе – фатализм - предопределенность.

 

Современная картина мира (с 60-х гг. ХХ в.)

Информационная картина мира.

Основа на самоорганизацию систем, как живых, так и неживых. Синергетика.

Самоорганизация основана на вероятностях.

Релятивистская теория.

Мегамир и микромир

 

Rc≈7∙108

 

V®C

 

Мир больших скоростей и масс.

 

Уровни развития познания природы естествознанием.

 

Созерцательный уровень – общие представления об окружающем мире. Мир предстает чем-то целым, неразделенным. Нет эксперимента, только мысли, идеи, умозаключения. Демокрит, Сократ, Эпикур, Платон: «Практическая польза от наук второстепенна».

Аналитический – начало фрагментарности, появление эксперимента. Разделение природы на объекты. Галилей. Выделение физики, биологии, химии. Они находятся в иерархии:

Фундаментальная механика

Механика молекул

Физика атомов - химия

Химия белковых молекул, биология

 

 

Такое разделение провел Кекуле.

 

Фрагментарность привела к анализу, чего раньше не было.

Синтетический уровень – усугубление фрагментарности, приведшая к гранизцам наук – к синтезу (радиационная химия, биофизика…). Привело к получению общих уравнений, например, уравнений Максвелла.

Интеграционный – рождение универсальных теорий.

 

Основные этапы развития физики.

В древние века понятие «физика» подразумевало космос (греч.) – «порядок», отражение совершенного порядка на Земле.

Первое впечатление о Земле – что она плоская.

Первое понятие о космосе – эгоцентризм.

В V веке до н.э. Анаксимандр говорил, что Земля шар и ни на что не опирается, это уже геоцентризм.

В I веке до н.э. Птолемей математически рассчитал геоцентрическую модель.

В VI веке до н.э. Аристотель сказал, что вокруг Земли расположен хрустальный небосвод со звёздами.

Гелиоцентризм.

В III веке до н.э. Аристарх Клавдий из Самоса преполагал, что солнце неподвижно, и все вращается вокруг него.

В начале XVII века – 17 февраля 1600 года сожжен на костре Джордано Бруно.

Коперник (1473-1543) утверждал, что Земля – не центр мироздания, его учение было признано в 1835-м году.

 

Лекция 3

 

Ньютон (1643-1727) создал дифференциальную и интегральную систему.

1687 г. – «Математические начала натуральной философии».

XIX век – открытие поля (альтернативного вида материи).

В 1837 году Фарадей (1791-1867) открыл электромагнитное поле.

В 1877 году Максвелл создал первую объединенную теорию – объединил электричество, магнетизм и оптику.

Современная физика – конец XIX века – открытие рентгеновских лучей, микромира.

Квантовую механику впервые доложил 14 декабря 1900 года Макс Планк – энергия излучения не постоянна, а дифференцирована – излучается квантами.

 

E=hn

 

В 1905 году Эйнштейн получает Нобелевскую премию.

 

Концепции материи и движения.

 

Фундаментом естественнонаучной картины мира (ЕНКМ) являются общие понятия:

· Материя

· Движение

· Время

· Пространство

· Взаимодействие

 

Материя (физ.) – это все то, что прямо или косвенно (опосредованно) воздействует на органы чувств человека.

Материя(философ.) – это реальность, данная нам в ощущениях и независимая от человека.

Движение – это любое изменение, которое происходит с материальными объектами в результате их взаимодействий. Материя не существует без движения.

Движение – это необъемлемое свойство материи. Материя не существует без форменного состояния, она дискретна.

Тело® молекулы® атомы® протоны, нейтроны, электроны® кварки

В современной физике различают три вида материи:

1. Вещество

2. Поле

3. Физический вакуум (экспериментально обнаружен в ускорителях в 50-х гг. XX)

 

Вещество – это любые материальные объекты, имеющие массу. Кроме массы может быть электрический заряд. Элементарные частицы (нейтрино имеют массу, 2002 год).

 

У вещества есть четыре агрегатных состояния:

Ø Твердое

Ø Жидкое

Ø Газообразное

Ø Плазма

 

Состояние материального объекта характеризуется физическими величинами, или параметрами состояния: координаты, энергия, температура, масса, спин, энтропия, состав.

Переход от одного состояния к другому есть движение материи.

 

Виды движения:

1. Механическое

2. Колебательное и волновое

3. Тепловое

4. Процессы переноса (диффузия, теплопроводность)

5. Фазовые переходы

6. Радиоактивный распад

7. Химические и ядерные реакции

8. Эволюция живых организмов

9. Метаболизм

 

Поле – особое состояние среды, в каждой точке которой заданы параметры, которые характеризуют состояние вещества и которые непрерывно и плавно меняются от точки к точке.

Поле является материальным фактором, который приводит к взаимодействию тел.

В макромире поле противоположно веществу (не имеет массы, непрерывно и т.п.).

В микромире нет раздельно поля и вещества, там присутствует корпускулярно-волновой дуализм.

Физический вакуум – самое низшее энергетическое состояние квантового поля. Среднее число частиц в вакууме равно нулю. Там существуют виртуальные частицы со временем жизни t£10-18 с. Вакуум «кипит» этими частицами, но они обладают низкой энергией.

Одной из особенностей вакуума является наличие в нем полей с энергией, равной нулю и без реальных частиц. Это электромагнитное поле без фотонов, это пионное поле без пи-мезонов, электронно-позитронное поле без электронов и позитронов.

Но раз есть поле, то оно должно колебаться. Такие колебания в вакууме часто называют нулевыми потому, что там нет частиц. Удивительная вещь: колебания поля невозможны без движения частиц, но в данном случае колебания есть, а частиц нет! Как это можно объяснить? Физики считают, что при колебаниях рождаются и исчезают кванты. Колеблется электромагнитное поле – рождаются и пропадают фотоны, колеблется пионное поле – появляются и исчезают пи-мезоны и т.п. Физика сумела найти компромисс между присутствием и отсутствием частиц в вакууме. Компромисс такой: частицы рождаются при нулевых колебаниях, живут очень недолго и исчезают. Однако, получается, что частицы, рождаясь из «ничего» и приобретая при этом массу и энергию, нарушают тем самым неумолимый закон сохранения массы и энергии. Тут вся суть в том «сроке жизни», который отпущен частицам: он настолько краток, что «нарушене» законов можно лишь вычислить теоретически, но экспериментально это наблюдать нельзя. Родилась частица из «ничего» и тут же умерла. Например, время «жизни» мгновенного электрона, примерно, 10-21 секунды, а мгновенного нейтрона 10-24 секунды. Обычный же свободный нейтрон живет минуты, а в составе атомного ядра даже неопределенно долго, как и электрон, если его не трогать.

Поэтому частицы, живущие так мало, что этого в каждом конкретном случае и заметить нельзя, назвали, в отличие от обычных, реальных, - виртуальными. В точном переводе с латыни – возможными. Но считать, что данные частицы только возможны – неверно. Эти «возможные» частицы в вакууме вполне реально воздействуют, как это наблюдается в точных экспериментах, на вполне реальные образования из безусловно реальных частиц и даже на микроскопические тела. И если отдельную виртуальную частицу физика обнаружить не может, то суммарное их воздействие на обычные частицы фиксируется отлично.

Наблюдать воздействие вакуумных виртуальных частиц оказалось возможно не только в опытах, где изучаются взаимодействия элементарных частиц, но и в эксперименте с макротелами. Две пластины, помещенные в вакуум и приближенные друг к другу, под ударами виртуальных частиц начинают притягиваться. Этот факт открыт в 1965 году голландским теоретиком и экспериментатором Гендриком Казимиром.

По сути, абсолютно все реакции, все взаимодействия между реальными элементарными частицами происходят при непременном участии вакуумного виртуального фона, на который элементарные частицы, в свою очередь, тоже влияют.

Оказалось также, что виртуальные частицы возникают не только в вакууме. Их порождают и обычные частицы. Электроны, например, постоянно испускают и тут же поглощают виртуальные фотоны.

Физический вакуум проявляется только при достаточно большой энергии - виртуальные частицы начинают взаимодействовать с реальными частицами.

 

e- + b- « 2g + Q

 

Современный тезис: Физический вакуум является основой Вселенной (1990-е гг.)

 

Концепции времени и пространства.

 

Время и пространство – это формы существования и движения материи.

Самые первые представления относятся к древним векам, это субъективные понятия.

Время выражает порядок смены физических состоянии материальных тел, поэтому время универсально и объективно вне зависимости от человека.

Субъективно то, что можно измерить с помощью часов. В качестве отсчета может быть принят любой циклический процесс, например, вращение Земли.

 

Постулат времени: одинаковые во всех отношениях явления происходят за одинаковое время. Эталон точности на данный момент составляет 10-11 с.

В классической механике Ньютон создал понятие истинного (абсолютного) времени, или математическое время - это время, которое течёт равномерно и не зависит от каких-либо физических процессов.

 

По Эйнштейну, время относительно, абсолютного времени

 

По теории относительности:

1. Существует релятивистское замедление времени при скоростях, близких к скорости света.

2. Гравитационное замедление времени (внутри чёрной дыры время останавливается).

 

По Ньютону время является обратимым, по современным представлениям время необратимо, относительно и одномерно.

В пространстве физические тела занимают объем и движутся друг относительно друга.

Пространство выражает порядок сосуществования физических тел.

Пространство (быт.) – это некая протяженная пустота, в которой могут находиться материальные тела.

Первая концепция пространства – III век до н.э. – Евклид создал свою геометрию. Его концепция не связана на с временем, ни с физическими явлениями – она чисто математическая. Была дополнена в XVIII веке Декартом, который ввел трехмерную систему координат (стереометрия) и определил пространство как однородное и изотропное.

Однородность – это свойство материальной системы, которое не зависит от ее перемещения в пространстве.

Изотропность – это свойство материальной системы, которые одинаково при её движении во всех направлениях. Ньютон ввел в классическую механику понятие абсолютного пространства, то есть, существующего независимо оттого, находятся там материальные тела или нет. Реального абсолютного пространства нет! В современной физике пространство так же относительно, как и время.

Вторая концепция пространства появилась в начале XIX века. Я. Бальяй, К. Гаусс (сер. XIX), Н. И. Лобачевский (сер. XIX) независимо друг от друга пришли к разработке неевклидовой геометрии. В отличие от Евклидовой, не соблюдается постулат о параллельных прямых (Сколько угодно прямых, параллельных данной). Евклидовой геометрии было отведено место частного случая (Прим. авт. консп.).

В 60-е гг. XIX века Риман создал сферическую геометрию. Геометрии Лобачевского было отведено место частного случая (Прим. авт. консп.).

Евклидова геометрия применима для макромира, неевклидова для мегамира, для искривленного пространства – римановская.

 

В классической пространство, время и материя не связаны друг с другом.

В релятивистской механике пространство и время объединены в пространственно-временной континуум. Эйнштейн ввел временную координату. Эйнштейн отчасти заимствовал наработки Минковского в области создания четырехмерного мира. Но Минковский не смог объяснить происхождение искривленного пространства. Четырехмерный мир неощутим для людей. Еще Галилей сказал, что для измерения движения нужно взять систему отсчёта времени. Система отсчета – это совокупность декартовых координат и часов. Это говорит о том, что движение тела всегда относительно движения других тел и связано со временем.

Специальная теория относительности (1905) показала, что не абсолютного пространства и абсолютного времени, все они относительны какой-либо системы отсчета.

Общая теория относительности (1915) показала, что евклидова геометрия непригодна для описания тел с большими массами и размерами.

 

 

Лекция 4

 

Специальная теория относительности (СТО)

 

В классической механике при переходе от одной системы к другой время течёт одинаково для обеих систем, и события происходят одновременно. Для макромира это правильно, для мегамира нельзя пренебрегать задержкой времени. Между Москвой и Санкт-Петербургом световой сигнал идет 0,002 секунды. Скорость света (константа) является ограничительным фактором (например, свет от квазара, расположенного на расстоянии 12 миллиардов световых лет). Эйнштейн все свои вычисления основывает на постоянстве скорости света в вакууме с≈3∙108 м/с. Поэтому время в СТО относительно како-то системы отсчета.

 

Эйнштейн сформулировал и сам же потом опроверг парадокс близнецов.

t2 – t2 = Dt =

 

Dt – промежуток времени, в течение которого близнец на Земле принимает световой сигнал с космического корабля.

– промежуток времени, в течение которого близнец, находящийся в космосе, посылает световой сигнал с корабля.

 

Ни одно материальное тело, имеющее массу покоя, не может двигаться быстрее скорости света. Теория относительности допускает существование частиц, двигающихся со скоростью света.

 

Связь энергии и массы.

 

E=mc2

E0=m0c2

DE=Dmc2

Явление аннигиляции: e- + b- « 2g + Q

 

1901 г. – обнаружение увеличения массы электрона, движущегося ускоренно.

ОТО впервые была опубликована в 1915 году.

 

Постулаты общей теории относительности (ОТО).

Все тела отсчета, инерциальные и неинерциальные, равноценны для описания движения материальных объектов. Инерциальная система – движущаяся равномерно и прямолинейно, неинерциальная – движущаяся с ускорением.

Эйнштейн разработал полевую теорию тяготения, предположив существование гравитационного поля.

Классическая механика опиралась на принцип дальнодействия – взаимодействие между предметами происходит мгновенно. Это возможно, так как в классической механике скорость света была бесконечной величиной.

Эйнштейн сказал, что два тела взаимодействуют друг с другом по принципу близкодействия (через частицы). Частицы, предположительно несущие гравитационное взаимодействие называют гравитонами.

В сильном поле тяготения происходит искривление пространственно-временного континуума. Чем больше масса, тем сильнее искривление пространства.

Гравитационный радиус – радиус, который нужен, чтобы стать черной дырой.

Для каждой массы существует свой определенный радиус, при сжатии до которого сила тяготения стремилась к бесконечности. Такой радиус в теории был назван гравитационным радиусом. Гравитационный радиус тем больше, чем больше масса тела. Но даже для астрономических масс он очень мал: для массы Земли это всего один сантиметр. (Прим. авт. консп.)

 

Лекция 5

 

Дискретность материи.

 

Аристотель в III веке до н.э. говорил, что вещество можно делить на все более мелкие части сколько угодно (Гипотеза непрерывности вещества).

 

Левкипп (V век до н.э.)

Демокрит

Эпикур

Говорили, что все вещества состоят из мельчайших частичек – атомов (греч.) – «неделимый». Термин «атом» введен Демокритом.

 

(Гипотеза прерывности вещества)

 

Понятие о молекуле, как о мельчайшей частице вещества ввел Ломоносов, назвав их корпускулами.

В конце XIX века Жан Батист Перрен доказал существование молекул при помощи броуновского движения.

Молекула – наименьшая частица вещества, сохраняющая его химические свойства и состоящая из атомов, соединенных между собой химическими связями.

 

Радиоактивность.

1896 год - Беккерель открыл радиоактивность. Изучая действие различных люминесцирующих веществ на фотопластинку, в частности, солей урана, открыл неизвестное излучение, присущее самой урановой соли и не имеющее ничего общего с люминесцирующим излучением. Это явление самопроизвольного излучения солями урана лучей особой природы было названо радиоактивностью. (Прим. авт. консп.)

 

1898 год - Томсон открыл электрон.

 

1911-1913 - Резерфорд открыл протон.

1932 - Чедвик открыл нейтрон.

Сер. 1960-х гг. коллектив учёных открыл сложную структуру нейтронов и протонов. Частицы, их образующие, были названы кварками.

На данный момент предела делимости материи нет.

Считается, что все виды материи имеют дискретную (зернистую) структуру, в том числе поле и физический вакуум.

Дискретность полей доказана экспериментально. (Например, электромагнитное поле распространяется фотонами).

Даже пространство и время по квантовой теории имеют дискретную структуру (пространственно-временная хаотически движущаяся «пена», состоящая из ячеек размером 10-35 м и 10-43 с).

Тем не менее, материя смотрится сплошной и непрерывной. Если мы описываем расположение в пространстве системы, её агрегатное состояние, то мы учитываем свойства материи, её непрерывность. Если же мы описываем химические связи вещества, если рассматриваем природу тепловых, электрических явлений, то мы рассматриваем дискретную структуру, учитываем прерывность материи.

 

Непрерывность материи и её дискретные свойства неразделимы.

 

Существует закон сохранения, связанный со свойствами пространства и времени. Декарт сказал, то пространство изотропно и однородно. Однородность пространства объясняется параллельным переносом тел.

Принцип инвариантности (неизменности). Связан со сдвигом в пространстве и времени – неизменность преобразования материального объекта в пространстве.

Движение материальных тел в пространстве связано с законами симметрии.

Симметрия всегда проявляется при изменении расположения тел в пространстве.

Г. Вейль в начале XX века: Симметричным называется предмет, который можно изменить в пространстве так, чтобы получить то, с чего начинали.

Симметрия проявляется в кристаллах, раковинах моллюсков, листьях растений.

Плоскость симметрии:

Зеркальная (хиральная) симметрия (рука, лапа, изомеры, глюкоза, молочная кислота). Самое древнее изображение симметрии – орнамент, например, мозаичные структуры встреч у крокодила, черепахи.

Симметрия – эстетический принцип, когда дублируется рисунок. Очень большое значение она имеет для архитектуры.

На востоке симметрия особо почиталась. Западное искусство всегда отступало от симметрии.

Симметрия создает в системе устойчивость. Симметричная система всегда сопротивляется введению динамичных элементов, следовательно, она является тормозом для эволюции. Ход эволюции материальных систем – это единство и борьба противоположностей (симметричности и асимметричности).

У живых организмов сохраняются наследственные признаки симметрии. Из однородности пространства следует закон сохранения импульса.

Импульс замкнутой материальной системы сохраняется, то есть, не изменяется с течением времени при параллельном переносе системы в пространстве. Если система открытая, то импульс сохраняется и для них, если геометрическая сумма всех сил, действующих на систему, равна нулю. Закону сохранения импульса подчиняется движение планет, галактик в мегамире; соблюдается для всех объектов макро- и мегамира. Это фундаментальный закон природы.

Другое свойство пространства – это Изотропность. Из него следует тоже фундаментальный закон – закон сохранения момента импульса.

 

L=mvr

 

Момент импульса замкнутой системы сохраняется, то есть, не изменяется с течением времени. Для открытых – аналогично, если сумма всех сил, воздействующих на систему, равна нулю. Закону сохранения момента импульса подчиняются:

 

· В мегамире – вращение всех материальных объектов (планет, звезд, звездных систем, галактик)

· В макромире – вращение тел

· В микромире – вращение всех частиц

 

В пространстве существует однородность времени – это инвариантность физической величины материальной системы отсчета относительно выбора начала отсчета. Из однородности времени следует закон сохранения механической энергии.

В системе, в которой между телами действуют только консервативные силы, полная механическая энергия сохраняется, то есть, не зависит от времени. Если совершенная в системе работа не зависит от пути перехода тела из одного состояния в другое, то в системе действуют консервативные силы.

 

Реальных систем таких не существует. В такой системе происходит только взаимопревращение потенциальной и кинетической энергии, других превращений нет. При этом полная механическая энергия сохраняется.

Если система открытая, то в ней действуют диссипативные силы и полная механическая энергия не сохраняется, часть энергии переходит в излучение, тепло и т.п.

Вне зависимости оттого, действуют ли в системе диссипативные или консервативные силы, в любом случае энергия сохраняется, только переходит из одной формы в другую. Закон сохранения энергии (ЗСЭ) является фундаментальным законом природы.

 

Э. Нуттер в 20-е гг. XX века установил связь между законами сохранения и свойствами природы и времени. В то же время А.А. Фридман разработал на основании симметрии пространства и времени теорию возникновения Вселенной.

Законы сохранения связаны с математической теорией групп, применяемой в квантовой механике, которая и постулировала дискретность времени и пространства.

 

Волновая концепция в естествознании.

 

Волны звука, на воде, механические колебания, колебания струны, колебания в земной коре, электромагнитные волны.

Основные свойства волн:

Все волны обладают конечной скоростью. Скорость распространения волн зависит от среды.

Скорость света в вакууме – 300000 км/с

Звук при 0°С, Р=1 атм – 330 м/с

Все виды волн обладают импульсом.

Движение волн подчиняется принципу суперпозиции.

Все волны переносят энергию.

 

Любая колеблющаяся система, независимо от её физической природы, называется осциллятор.

· Существуют колебания с постоянной амплитудой – незатухающие.

· С точки зрения кинематики бывают периодические и непериодические колебания.

· По способу возбуждения бывают собственные и вынужденные.

· По направлению распространения – продольные и поперечные.

 

Продольные – сжатие и растяжение пружины, забивание гвоздя, распространение звука, кроме распространения в твердых телах. Человеческое ухо воспринимает звуковые колебания от 16 до 20000 Гц.

Поперечные волны – частицы среды колеблются перпендикулярно направлению распространения волны. Например, колебание струны, в твердых телах даже звук распространяется поперечно (все волны в твердых телах поперечны), электромагнитные волны.

В природе встречаются плоские и трехмерные волны. Звуковые волны являются трехмерными, электромагнитные – плоскими.

 

Лекция 6

 

Когда плоская волна попадает на препятствие, она преломляется – это явление дифракции.

 

Ф Гримальди (1665) впервые описал дифракцию.

Т. Гук и Х. Гюйгенс, XVII век – придерживались теории эфира.

Одна из работ Гюйгенса – «Трактат о свете».

Принцип Гюйгенса: Каждая точка среды, до которой доходит волна, является в свою очередь центром одной из элементарных вторичных волн.

Гюйгенс доказал, что дифракция проявляется, если длина (диаметр) препятствия меньше или равен длине волны.

 

Идеи Гюйгенса были доработаны Френелем, он же дошёл до открытия интерференции. Интерференция – сложение двух или более волн одинакового периода, которые сходятся в одной точке. При наложении амплитуд может давать интерференционные максимумы и минимумы. Главным условием интерференции является когерентность волн (фиксированная разность фаз и одинаковая частота). Для наблюдения интерференции света требуется наличие двух волн от одного источника, но с геометрической разностью хода.

Явление интерференции наблюдается как для продольных, так и для поперечных волн любого типа.

Один из способов наблюдения – дифракционная решетка – решетка с 2000 штрихов на 1 мм. Даёт очень высокую разрешающую способность и используется для спектрографов. В сейсмологии при помощи дифракционной решетки улавливают смещение до 10-6 м. Интерференция применяется в просветленной оптике для уменьшения бликов и потерь энергии. В современных перископах сейчас проходит до 85-90% световых волн, раньше это число не превышало 30%.