Понятие науки. Значение науки в современной культуре

     

6. Понятие физической реальности (микромир, макромир, мегамир). Типы физических взаимодействий

 

     Важнейшее свойство материи - ее структурная и системная организация, которая выражает упорядоченность существования материи в виде огромного разнообразия материальных объектов различных масштабов и уровней, связанных между собой единой системой иерархии. Непосредственно наблюдаемые нами тела состоят из молекул, молекулы - из атомов, атом - из ядер и электронов, атомные ядра - из нуклонов, нуклоны - из кварков. Сегодня принято считать, что электроны и гипотетические частицы кварки не содержат более мелких частиц. В современном естествознании множество материальных систем принято условно делить на микромир, макромир и мегамир. К микромиру относятся молекулы, атомы и элементарные частицы. Материальные объекты, состоящие из огромного числа атомов и молекул, образуют макромир. Самую крупную систему материальных объектов составляет мегамир - мир планет, звезд, галактик и Вселенной. Материальные системы микро-, макро- и мегамира различаются между собой размерами, характером доминирующих процессов и законами, которым они подчиняются. Важнейшая концепция современного естествознания заключается в материальном единстве всех систем микро-, макро- и мегамира. Можно говорить о единой материальной основе происхождения всех материальных систем на разных стадиях эволюции Вселенной.

     Огромное  разнообразие природных систем и  структур, их особенности и динамизм обусловливаются взаимодействием  материальных объектов, т.е. их взаимным действием друг на друга. Именно взаимодействие - основная причина движения материи, поэтому взаимодействие, как и движение, универсально, т.е. присуще всем материальным объектам вне зависимости от их природы происхождения и системной организации. Особенности различных взаимодействий определяют условия существования и специфику свойств материальных объектов. Взаимодействующие объекты обмениваются энергией и импульсом - основными характеристиками их движения. Наблюдаемые в природе взаимодействия материальных объектов и систем весьма разнообразны. Однако, как показали физические исследования, все взаимодействия можно отнести к четырем видам фундаментальных взаимодействий: гравитационному, электромагнитному, сильному и слабому. Гравитационное взаимодействие проявляется во взаимном притяжении любых материальных объектов, имеющих массу. Оно передается посредством гравитационного поля и определяется фундаментальным законом природы - законом всемирного тяготения, сформулированным И. Ньютоном: между двумя материальными точками массой т₁ и т₂, расположенными на расстоянии г друг от друга, действует сила F, прямо пропорциональная произведению их масс и обратно пропорциональная квадрату расстояния между ними, и помноженное на G - гравитационная постоянная. Законом всемирного тяготения описывается падение материальных тел в поле Земли, движение планет Солнечной системы, звезд и т.п. В соответствии с квантовой теорией поля переносчиками гравитационного взаимодействия являются гравитоны - частицы с нулевой массой, кванты гравитационного поля. Электромагнитное взаимодействие обусловлено электрическими зарядами и передается посредством электрического и магнитного полей. Электрическое поле возникает при наличии электрических зарядов, а магнитное - при их движении. Изменяющееся магнитное поле порождает переменное электрическое поле, которое, в свою очередь, является источником переменного магнитного поля. Благодаря электромагнитному взаимодействию существуют атомы и молекулы, происходят химические превращения вещества. Различные агрегатные состояния вещества, трение, упругость и т.п. определяются силами межмолекулярного взаимодействия, электромагнитными по своей природе. Согласно квантовой электродинамике, переносчиками электромагнитного взаимодействия являются фотоны - кванты электромагнитного поля с нулевой массой. Во многих случаях они регистрируются приборами в виде электромагнитной волны разной длины. Сильное взаимодействие обеспечивает связь нуклонов в ядре. Оно определяется ядерными силами, обладающими зарядовой независимостью, короткодействием, насыщением и другими свойствами. Сильное взаимодействие отвечает за стабильность атомных ядер. Чем сильнее взаимодействие нуклонов в ядре, тем стабильнее ядро, тем больше его удельная энергия связи. Предполагается, что сильное взаимодействие передается глюонами - частицами, «склеивающими» кварки, входящие в состав протонов, нейтронов и других частиц. В слабом взаимодействии участвуют все элементарные частицы, кроме фотона. Оно обусловливает большинство распадов элементарных частиц, взаимодействие нейтрино с веществом и другие процессы. Слабое взаимодействие проявляется главным образом в процессах бета-распада атомных ядер многих изотопов, свободных нейтронов и т. д. Принято считать, что переносчиками слабого взаимодействия являются вионы - частицы с массой примерно в 100 раз большей массы протонов и нейтронов.  

     

7. Механистическая картина мира

 

     Согласно  Ньютону, весь мир состоит «из  твердых, весомых, непроницаемых, подвижных  частиц». Эти «первичные частицы  абсолютно тверды: они неизмеримо более тверды, чем тела, которые  из них состоят, настолько тверды, что они никогда не изнашиваются и не разбиваются вдребезги». Отличаются они друг от друга главным образом  количественно, своими массами. Все  богатство, все качественное многообразие мира - это результат различий в движении частиц. Внутренняя сущность частиц остается на втором плане.

     Основанием  для такой единой картины мира послужил всеобъемлющий характер открытых Ньютоном законов движения тел. Этим законам с удивительной точностью  подчиняются как громадные небесные тела, так и мельчайшие песчинки, гонимые ветром. И даже ветер - движение не видимых глазом частиц воздуха - подчиняется тем же законам. На протяжении долгого времени ученые были уверены, что единственными фундаментальными законами природы являются законы механики Ньютона. Классическая механика Ньютона сыграла и играет до сих пор огромную роль в развитии естествознания. Она объясняет множество физических явлений и процессов в земных и внеземных условиях, составляет основу многих технических достижений. На ее фундаменте формировались естественно-научные методы исследований в различных отраслях естествознания. Вплоть до начала XX в. в науке господствовало механистическое мировоззрение: все явления природы можно объяснить движениями частиц и тел. В 1667г. Ньютон сформулировал три фундаментальных закона классической механики.

     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  иногда называют законом инерции. Второй закон Ньютона: ускорение, приобретаемое  материальной точкой (телом), пропорционально  вызывающей его силе и обратно  пропорционально массе материальной точки (тела). Ускорение характеризует  быстроту изменения скорости движения тела. Масса - одна из основных характеристик материальных объектов, определяющая их инерционные (инертная масса) и гравитационные (тяжелая или гравитационная масса) свойства. Сила - это векторная величина, мера 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 справедлив только в инерциальных системах отсчета. Первый закон Ньютона можно получить из второго. Действительно, в случае равенства нулю равнодействующих сил (при отсутствии воздействия на тело со стороны других тел) ускорение также равно нулю. Однако первый закон Ньютона рассматривается как самостоятельный закон, а не как следствие второго закона, поскольку именно он утверждает существование инерциальных систем 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, 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. Третий закон Ньютона позволяет осуществить переход от динамики отдельной материальной точки к динамике системы материальных точек, характеризующихся парным взаимодействием. Законы Ньютона позволяют решить многие задачи механики - от простых до сложных. Спектр таких задач значительно расширился после разработки Ньютоном и его последователями нового для того времени математического аппарата - дифференциального и интегрального исчисления, широко применяемого в настоящее время для решения различных задач естествознания и математики. 

     

8. Электромагнитная  картина мира

 

     Простая механическая картина мира оказалась  не состоятельной. При исследовании электромагнитных процессов выяснилось, что они не подчиняются механике Ньютона. Долгое время считалось, что  электричество и магнетизм имеют  разную природу (электричесвто обусловлено  электрическими зарядами, магнетизм-магнитными). Ампер доказал обратное-природа  обоих едина. Фарадей обнаружил  существование магнитного поля, которое  обусловлено движением электрического заряда. Изменения в вихревом поле ведут к изменениям в магнитном  поле и наоборот. Максвелл создал электро-магнитную теорию-поле это часть пространства, включающее в себя тела, находящиеся в электрическом или магнитном состоянии. После создания электродинамики представления о силах существенно изменились. Герц обнаружил существование новых видов волн, эти волны способны распространяться в вакууме, далее выяснилось, что это электромагнитные волныКаждое из взаимодействующих тел создает электромагнитное поле, которое с конечной скоростью распространяется в пространстве. Взаимодействие осуществляется посредством этого поля (теория близкодействия). Электромагнитные силы чрезвычайно широко распространены в природе. Они действуют в атомном ядре, атоме, молекуле, между отдельными молекулами в макроскопических телах. Это происходит потому, что в состав всех атомов входят электрически заряженные частицы. Действие электромагнитных сил обнаруживается и на очень малых расстояниях (ядро), и на космических (электромагнитное излучение звезд). Развитие электродинамики привело к попыткам построить единую электромагнитную картину мира. Все события в мире согласно этой картине управляются законами электромагнитных взаимодействий. Однако свести все процессы в природе к электромагнитным не удалось. Уравнения движения частиц и закон гравитационного взаимодействия не могут быть выведены из теории электромагнитного поля. Кроме того, были открыты электрически нейтральные частицы и новые типы взаимодействия. Природа оказалась сложнее, чем предполагали вначале: ни единый закон движения, ни единственная сила не способны охватить всего многообразия процессов в мире. 

     

9. Квантово-релятивистская картина мира

 

     Предпосылками к её созданию были: открытие фотоэффекта, радиоактивности и микромира (мир  элементарных частиц). Фотоэффект-испускание веществом электронов под действием  электромагнитного излучения (в 1887г. обнаружен Герцем). С точки зрения Максвелла это явление объяснить  не удалось, т.к. по его теории электрон должен накопить энергию выхода (иначе  потратить на это время), опыт же показал, что этого не происходит. Стало ясно, что необходимы другие теории. Макс Планк предложил квантовую  гипотезу-свет излучается не непрерывно, а порциями (квантами). На основе этой гипотезы Эйнштейн создал квантовую  теорию света-свет это поток квантов, фотонов, с помощью чего был объяснен фотоэффект-фотон испускается и поглощается как целое, электрон заимствует энергию фотона, поэтому фотоэффект происходит мгновенно. В конце XIXв., благодаря счастливой случайности, произошло открытие радиоактивности - явления, доказывающего сложный состав атомного ядра. Вспомним, что рентгеновские лучи впервые были получены при столкновениях быстрых электронов со стеклянной стенкой разрядной трубки. Одновременно наблюдалось свечение стенок трубки. Беккерель долгое время исследовал родственное явление - свечение веществ, предварительно облученных солнечным светом. К таким веществам принадлежат, в частности, соли урана, с которыми экспериментировал Беккерель. И вот у него возник вопрос: не появляются ли после облучения солей урана наряду с видимым светом и рентгеновские лучи? Беккерель завернул фотопластинку в плотную черную бумагу, положил сверху крупинки урановой соли и выставил на яркий солнечный свет. После проявления пластинка почернела на тех участках, где лежала соль. Следовательно, уран создавал какое-то излучение, которое, подобно рентгеновскому, пронизывает непрозрачные тела и действует на фотопластинку. Беккерель думал, что это излучение возникает под влиянием солнечных лучей. Но однажды, в феврале 1896 г., провести очередной опыт ему не удалось из-за облачной погоды. Беккерель убрал пластинку в ящик стола, положив на нее сверху медный крест, покрытый солью урана. Проявив на всякий случай пластинку два дня спустя, он обнаружил на ней почернение в форме отчетливой тени креста. Это означало, что соли урана самопроизвольно, без влияния внешних факторов создают какое-то излучение. Начались интенсивные исследования. После открытия радиоактивных элементов началось исследование физической природы их излучения. Кроме Беккереля и супругов Кюри, этим занялся. Резерфорд. Классический опыт, позволивший обнаружить сложный состав радиоактивного излучения, состоял в следующем. Препарат радия помещался на дно узкого канала в куске свинца. Против канала помещалась фотопластинка. На выходившее из канала излучение действовало сильное магнитное поле, перпендикулярное к лучу. Вся установка размещалась в вакууме. В отсутствие магнитного поля на фотопластинке после проявления обнаруживалось одно темное пятно, точно против канала. В магнитном поле пучок распадался на три пучка. Две составляющие первичного потока отклонялись в противоположные стороны. Это указывало на наличие у этих излучений электрических зарядов противоположных знаков. При этом отрицательный компонент излучения отклонялся магнитным полем, гораздо больше, чем положительный. Третья составляющая не отклонялась магнитным полем. Положительно заряженный компонент получил название альфа-лучей, отрицательно заряженный - бета-лучей и нейтральный - гамма-лучей. Эти три вида излучения очень сильно отличаются друг от друга по проникающей способности, т.е. по тому, насколько интенсивно они поглощаются различными веществами. Наименьшей проникающей способностью обладают альфа-лучи. Слой бумаги толщиной около 0,1 мм для них уже непрозрачен. Если прикрыть отверстие в свинцовой пластинке листочком бумаги, то на фотопластинке не обнаружится пятна, соответствующего альфа-излучению. Гораздо меньше поглощаются при прохождении через вещество бета-лучи. Алюминиевая пластинка полностью их задерживает только при толщине в несколько миллиметров. Наибольшей проникающей способностью обладают гамма-лучи. По своим свойствам гамма-лучи очень сильно напоминают рентгеновские, но только их проникающая способность гораздо больше, чем у рентгеновских лучей. Это наводит на мысль, что гамма-лучи представляют собой электромагнитные волны. С самого начала альфа- и бета-лучи рассматривались как потоки заряженных частиц. Проще всего было экспериментировать с бета-лучам.и, так как они сильно отклоняются как в магнитном, так и в электрическом поле. При исследовании отклонения бета-частиц в электрических и магнитных полях было установлено, что они представляют собой не что иное, как электроны, движущиеся со скоростями, очень близкими к скорости света. Труднее оказалось выяснить природу альфа-частиц, так как они слабо отклоняются магнитным и электрическим полями. Окончательно эту задачу удалось решить Резерфорду. Он измерил отношение заряда q частицы к ее массе m по отклонению в магнитном поле. Оно оказалось примерно в два раза меньше, чем у протона - ядра атома водорода. Заряд протона равен элементарному, а его масса очень близка к атомной единице массы. Следовательно, у альфа-частицы на один элементарный заряд приходится масса, равная двум атомным единицам массы. Следовательно, на два элементарных заряда приходится четыре атомных единицы массы. Такой же заряд и такую же относительную атомную массу имеет ядро гелия. Из этого следует, что альфа-частица - это ядро атома гелия (или соответственно его времени-ион атома гелия).Не довольствуясь достигнутым результатом, Резерфорд затем еще прямыми опытами доказал, что при радиоактивном альфа-распаде образуется гелий. Собирая альфа-частицы внутри специального резервуара на протяжении нескольких дней, Резерфорд с помощью спектрального анализа убедился в том, что в сосуде накапливается гелий (каждая альфа-частица захватывала два электрона и превращалась в атом гелия). 

     

10. Пространство  и время в классической механике Ньютона  и в теории относительности Эйнштейна

 

     Классический  принцип относительности был  сформулирован еще Г. Галилеем: “Если  законы механики справедливы в одной  системе координат, то они справедливы  и в любой другой системе, движущейся прямолинейно и равномерно относительно первой”. Из принципа относительности  следует, что между покоем и движением-если оно равномерно и прямолинейно-нет  никакой принципиальной разницы. Разница  только в точке зрения. Такие системы  называются инерциальными, поскольку  движение в них подчиняется закону инерции, гласящему: “Всякое тело сохраняет состояние покоя или равномерного прямолинейного движения, если только оно не вынуждено изменить его под влиянием движущихся сил”. Раскрывая сущность пространства и времени, Ньютон предлагает различать два вида понятий: абсолютные (истинные, материалистические) и относительные (кажущиеся, обыденные) и дает им следующую типологическую характеристику: «Абсолютное, истинное, материалистическое время само по себе и своей сущности, без всякого отношения к чему-либо внешнему, протекает равномерно и иначе называется длительностью. Относительное, кажущееся, или обыденное, время есть или точная, или изменчивая, постигаемая чувствами внешняя мера продолжительности, употребляемая в обыденной жизни вместо истинного математического времени, как то: час, день, месяц, год...». Абсолютное пространство по своей сущности, не связано с объектами, помещенными в него, и безотносительно к чему бы то ни было внешнему, остается всегда одинаковым и неподвижным. Относительное пространство есть мера или какая-либо ограниченная подвижная часть, которая определяется нашими чувствами по положению его относительно некоторых тел, и которое в обыденной жизни принимается за пространство неподвижное. Время и пространство составляют как бы вместилища самих себя и всего существующего. При таком понимании абсолютное пространство и время представлялись некоторыми самодовлеющими элементами бытия, существующими вне и независимо от каких-либо материальных процессов, как универсальные условия, в которые помещена материя. У Ньютона абсолютное пространство и время являются ареной движения физических объектов. Специальная теория относительности, созданная в 1905г. А. Эйнштейном, стала результатом обобщения и синтеза классической механики Галелея-Ньютона и электродинамики Максвелла-Лоренца. “Она описывает законы всех физических процессов при скоростях движения, близких к скорости света, но без учета поля тяготения. При уменьшении скоростей движения она сводится к классической механике, которая, таким образом, оказывается ее частным случаем”. В соответствии со специальной теорией относительности, которая объединяет пространство и время в единый четырехмерный пространственно-временной континуум, пространственно-временные свойства тел зависят от скорости их движения. Пространственные размеры сокращаются в направлении движения при приближении скорости тел к скорости света в вакууме (300 000 км/с), временные процессы замедляются в быстродвижущихся системах, масса тела увеличивается. Движение света принципиально отличается от движения всех других тел, скорость которых меньше скорости света. Скорость этих тел всегда складывается с другими скоростями. В этом смысле скорости относительны: их величина зависит от точки зрения. А скорость света не складывается с другими скоростями, она абсолютна, всегда одна и та же, и, говоря о ней, нам не нужно указывать систему отсчета. Абсолютность скорости света не противоречит принципу относительности и полностью совместима с ним. Постоянство этой скорости-закон природы, а поэтому-именно в соответствии с принципом относительности-он справедлив во всех инерциальных системах отсчета. Скорость света одна и та же во всех телах, движущихся по отношению друг к другу равномерно и прямолинейно. Свет проходит с неизменной скоростью, приблизительно равной 300000 км/сек., мимо неподвижного тела, мимо тела, движущегося навстречу свету, мимо тела, которое свет догоняет. Далее Эйнштейн рассматривает относительность длин и промежутков времени, что приводит его к выводу о том, что понятие одновременности лишено смысла: "Два события, одновременные при наблюдении из одной координатной системы, уже не воспринимаются как одновременные при рассмотрении из системы, движущейся относительно данной". Коренным отличием специальной теории относительности от предшествующих теорий является признание пространства и времени в качестве внутренних элементов движения материи, структура которых зависит от природы самого движения, является его функцией. В подходе Эйнштейна пространству и времени придаются новые свойства: относительность длины и временного промежутка, равноправность пространства и времени. Если бы существовала мгновенная передача импульсов и вообще сигналов, то мы могли бы говорить о двух событиях, происшедших одновременно, т.е. отличающихся только пространственными координатами. Связь между событиями была бы физическим прообразом чисто пространственных трехмерных геометрических соотношений. Теория Эйнштейна исходит из ограниченности и относительности трехмерного, чисто пространственного представления о мире и вводит более точное пространственно-временное представление. С точки зрения теории относительности в картине мира должны фигурировать четыре координаты и ей должна соответствовать четырехмерная геометрия. 

     11. Модели строения атома ( Модель Томсона, модель Резерфорда, модель Бора) 

     Не  сразу ученые пришли к правильным представлениям о строении атома. Первая модель атома была предложена английским физиком Томсоном, открывшим электрон. По мысли Томсона, положительный  заряд атома занимает весь объем  атома и распределен в этом объеме с постоянной плотностью. Простейший атом - атом водорода - представляет собой положительно заряженный шар, внутри которого находится электрон. У более сложных атомов в положительно заряженном шаре находится несколько электронов. Однако модель атома Томсона оказалась в полном противоречии с опытами по исследованию распределения положительного заряда в атоме. Опыты, произведенные впервые великим английским физиком Эрнестом Резерфордом, сыграли столь большую роль в понимании строения атома. Из опытов Резерфорда непосредственно вытекает планетарная модель атома. В центре расположено положительно заряженное атомное ядро, в котором сосредоточена почти вся масса атома. В целом атом нейтрален. Поэтому число внутриатомных электронов, как и заряд ядра, равно порядковому номеру элемента в периодической системе. Ясно, что покоиться электроны внутри атома не могут, так как они упали бы на ядро. Они движутся вокруг ядра, подобно тому как планеты обращаются вокруг Солнца. Такой характер движения электронов определяется действием кулоновских сил со стороны ядра. Последовательной теории атома Бор, однако, не дал. Он в виде постулатов сформулировал основные положения новой теории. Причем и законы классической физики не отвергались им безоговорочно. Новые постулаты скорее налагали лишь некоторые ограничения на допускаемые классической физикой движения. Успех теории Бора был тем не менее поразительным, и всем ученым стало ясно, что Бор нашёл правильный путь развития теории. Этот путь привел впоследствии к созданию стройной теории движения микрочастиц - квантовой механики. Первый постулат Бора гласит: атомная система может находиться только в особых стационарных, или квантовых, состояниях, каждому из которых соответствует определенная энергия, в стационарном состоянии атом не излучает. Согласно второму постулату Бора при переходе атома из одного стационарного состояния в другое испускается или поглощается квант электромагнитной энергии. Излучение происходит при переходе атома из состояния с большей энергией в состояние с меньшей энергией. Поглощение атомом энергии сопровождается переходом атома из состояния с меньшей энергией в состояние с большей энергией. 

     12. Место физики в  системе естествознания