Шпаргалка по "Концепции современного естествознания"

Микромир –  это молекулы, атомы, элементарные частицы  — мир предельно малых, непосредственно  не наблюдаемых микрообъектов, пространственная разномерность которых исчисляется от 10-8 до 10-16 см, а время жизни — от бесконечности до 10-24 с. 

Макромир —  мир устойчивых форм и соразмерных  человеку величин, а также кристаллические  комплексы молекул, организмы, сообщества организмов; мир макрообъектов, размерность которых соотносима с масштабами человеческого опыта: пространственные величины выражаются в миллиметрах, сантиметрах и километрах, а время — в секундах, минутах, часах, годах. 

Мегамир — это  планеты, звездные комплексы, галактики, метагалактики – мир огромных космических масштабов и скоростей, расстояние в котором измеряется световыми годами, а время существования космических объектов — миллионами и миллиардами лет. 

       7.     Порядок и беспорядок в природе. Хаос. 

  Главная идея синергетики (предметом коей являются самоорганизующиеся системы) – это  идея о принципиальной возможности  спонтанного возникновения порядка  и организации из беспорядка и  хаоса в результате процесса самоорганизации. При этом система начинает самоорганизовываться и противостоит тенденции её разрушения средой. Например, в химии такое явление называют автокатализом. В неорганической химии автокаталитические реакции довольно редки, но, как показали исследования последних десятилетий в области молекулярной биологии, петли положительной обратной связи (вместе с другими связями – взаимный катализ, отрицательная обратная связь и др.) составляют саму основу жизни.

  В переломный момент самоорганизации принципиально  неизвестно, в каком направлении будет происходить дальнейшее развитие: станет ли состояние системы хаотическим или она перейдёт на новый, более высокий уровень упорядоченности и организации (фазовые переходы и диссипативные структуры – лазерные пучки, неустойчивости плазмы, флаттер, химические волны, структуры в жидкостях и др.). В точке бифуркации система как бы «колеблется» перед выбором того или иного пути организации, пути развития. В таком состоянии небольшая флуктуация (момент случайности) может послужить началом эволюции (организации) системы в некотором определённом (и часто неожиданном или  просто маловероятном) направлении, одновременно отсекая при этом возможности развития в других направлениях.

  Как выясняется, переход от Хаоса к Порядку  вполне поддаётся математическому  моделированию. И более того, в природе существует не так уж много универсальных моделей такого перехода. Качественные переходы в самых различных сферах действительности ( в природе и обществе – его истории, экономике, демографических процессах, духовной культуре и др.) подчиняются подчас одному и тому же математическому сценарию.

  Синергетика убедительно показывает, что даже в неорганической природе существуют классы систем, способных к самоорганизации. История развития природы – это  история образования всё более и сложных нелинейных систем. Такие системы и обеспечивают всеобщую эволюцию природы на всех уровнях её организации – от низших и простейших к высшим  и сложнейшим (человек, общество, культура). 

                                                           Вопрос 8. Симметрия.                                                  

«Симметричное обозначает нечто, обладающее хорошим  соотношением пропорций, а симметрия  – тот вид согласованности  отдельных частей, который объединяет их в целое.

Зеркальная симметрия  в геометрии относится к операциям отражения или вращения. Она достаточно широко встречается в природе. Наибольшей симметрией в природе обладают кристаллы (например,  симметрия снежинок, природных кристаллов), однако не у всех из них наблюдается зеркальная симметрия. Известны так называемые оптически активные кристаллы, которые поворачивают плоскость поляризации падающего на них света.

В широком смысле симметрия – это понятие, отображающее существующий в объективной действительности порядок, определенное равновесное состояние, относительную устойчивость, пропорциональность и соразмерность между частями целого. Симметрия может быть не только геометрической. Различают геометрическую и динамическую формы симметрии (и, соответственно, асимметрии).

К  геометрической форме  симметрии (внешние симметрии) относятся свойства пространства – времени, такие как однородность пространства и времени, изотропность пространства, эквивалентность инерциальных систем отсчета и т.д.

К динамической форме относятся симметрии, выражающие свойства физических взаимодействий, например, симметрии электрического заряда, симметрии спина и т.п. (внутренние симметрии). Современная физика, однако, раскрывает возможность сведения всех симметрий к геометрическим симметриям. 

Вопрос 9.   Симметрия пространства и времени. Законы сохранения. 

Одной из важнейших  особенностей геометрических симметрий  является их связь с законами сохранения. Значение законов сохранения (законы сохранения импульса,  энергии, заряда и др.Теорема Нетер. Наиболее общий подход к взаимосвязи симметрий и законов сохранения содержится в знаменитой теореме Э. Нетер. В 1918 г., работая в составе группы по проблемам теории относительности, доказала теорему, упрощенная формулировка которой гласит:  если свойства системы не меняются относительно какого-либо преобразования переменных, то этому соответствует некоторый закон сохранения.

Переход от одной  инерциальной системы (ИСО) к другой можно осуществлять следующими преобразованиями:

1.Сдвиг начала  координат. Это связано с физической  эквивалентностью всех точек пространства, т.е. с его однородностью. В этом случае говорят о симметрии относительно переносов в пространстве

2. Поворот тройки  осей координат. Эта возможность  обусловлена одинаковостью свойств  пространства во всех направлениях, т.е. изотропностью пространства и соответствует симметрии относительно поворотов.

3.    Сдвиг начала отсчета по времени, соответствующий симметрии относительно переноса по времени 

4.    Равномерное прямолинейное движение начала отсчета со скоростью V, т.е. переход от покоящейся системы к системе, движущейся равномерно и прямолинейно. 

К этим законам  относятся соответственно:

1.    Закон сохранения импульса как следствие однородности пространства.

2.    Закон сохранения момента импульса как следствие изотропности пространства.

3.    Закон сохранения энергии как следствие однородности времени.

4.    Закон сохранения скорости центра масс (следствие изотропности пространства-времени). 

Вопрос10. Принцип относительности Галилея. 

При́нцип относи́тельности — фундаментальный физический принцип, согласно которому все физические процессы винерциальных системах отсчёта протекают одинаково, независимо от того, неподвижна ли система или она находится в состоянии равномерного и прямолинейного движения.

Отсюда следует, что все законы природы одинаковы во всех инерциальных системах отсчёта.^[1]

Различают принцип относительности Эйнштейна (который приведён выше) и принцип относительности Галилея, который утверждает то же самое, но не для всех законов природы, а только для законов классической механики, подразумевая применимость преобразований Галилея, оставляя открытым вопрос о применимости принципа относительности к оптике и электродинамике.

Отцом принципа относительности считается Галилео Галилей, который обратил внимание на то, что находясь в замкнутой физической системе, невозможно определить, покоится эта система или равномерно движется. Во времена Галилея люди имели дело в основном с чисто механическими явлениями. В своей книге «Диалоги о двух системах мира» Галилей сформулировал принцип относительности следующим образом:

Для предметов, захваченных равномерным движением, это последнее как бы не существует и проявляет своё действие только на вещах, не принимающих в нём  участия.

Идеи Галилея  нашли развитие в механике Ньютона. В своих «Математических началах натуральной философии» (том I, следствие V) 

Ньютон так  сформулировал принцип относительности:

Относительные движения друг по отношению к другу  тел, заключенных в каком-либо пространстве, одинаковы, покоится ли это пространство, или движется равномерно и прямолинейно без вращения.

Вопрос11 

• Принцип относительности Эйнштейна
• Эйнштейн обобщил принцип относительности Галилея, сформулированный для механических явлений, на все явления природы. Принцип относительности Эйнштейна гласит: «Никакими физическими опытами(механическими, электрическими, оптическими), произведенными в какой-либо инерциальной системе отсчета, невозможно определить, движется ли эта система равномерно и прямолинейно, или находится в покое». Не только механические, но и все физические законы одинаковы во всех инерциальных системах отсчета.
• Таким образом, принцип относительности Эйнштейна устанавливает полную равноправность всех инерциальных систем отсчета и отвергает идею абсолютного пространства Ньютона. Теорию, созданную Эйнштейном для описания явлений в инерциальных системах отсчета, называют специальной теорией относительности.

Вопрос3

Специальная теория относительности (СТО; также частная теория относительности) — теория, описывающая движение, законы механики и пространственно-временные отношения при произвольных скоростях движения, меньших скорости света в вакууме, в том числе близких к скорости света. В рамках специальной теории относительности классическая механика Ньютона является приближением низких скоростей. Обобщение СТО для гравитационных полей называется общей теорией относительности.

Основные  положения Специальной теории относительности  Постулаты Эйнштейна. Современный  релятивистский подход к описанию природных  явлений базируется на двух постулатах Эйнштейна. Первый является естественным обобщением принципа относительности Галлилея с механических на все без исключения явления природы и может быть сформулирован как утверждение о невозможности наблюдателю, находящемуся в замкнутой системе отсчета, при помощи какого-либо физического (а значит и любого другого) опыта установить, покоится ли его система отсчета или находится в состоянии равномерного прямолинейного движения. В пользу этого постулата свидетельствует обширный житейский опыт, показывающий, что находящийся в закрытом помещении (трюме корабля) наблюдатель не в состоянии зарегистрировать факт его движения не только в результате постановки механических опытов, но и с помощью своих ощущений, в основе возникновения которых лежат, как известно, электрохимические процессы. Вторым постулатом Эйнштейна является утверждение о постоянстве скорости света, неоднократно проверявшееся не только Майкельсоном, но и впоследствии в более точных экспериментах. Основные выводы релятивистской кинематики. На основе сформулированных постулатов Эйнштейна пересматриваются все основные положения классической кинематики. Делается вывод о том, что понятия одновременности собитий, доительностьи временного промежутка и длины отрезка перестают носить абсолютный характер, становясь зависимыми от выбора системы отсчета, из которой ведется наблюдение (подобно тому, как при классическом описании координаты материальной точки и ее скорость носили относительный характер). Предсказываемый релятивистской теорией эффект замедления времени состоит в том, что с точки зрения движущегося относительно рассматриваемой системы наблюдателя все интервалы времени (t), характеризующие поцессы в этой системе (колебания маятников часов, распад нестабильных частиц, старение биологических организмов и т.д.)... 

16. Понятие состояния.

Понятие состояние — абстрактный термин, обозначающий множество стабильных значений переменных параметров объекта.

Состояние характеризуется  тем, что описывает переменные свойства объекта. Состояние стабильно до тех пор, пока над объектом не будет произведено действие; если над объектом будет произведено некоторое действие, его состояние может измениться.

Последовательная  смена состояний объекта называется процессом.

Примеры:

• положения тела человека: лежит, сидит, стоит, ходьба, бег;
• ментальное состояние: сон, бодрствование;
• агрегатное состояние физического вещества: твёрдое тело (кристаллическое, стеклообразное, жёсткое, гибкое), жидкость (вязкая, жидкая), газ;
• в цифровой электронике: двоичный триггер имеет два устойчивых состояния, троичный триггер имеет три устойчивых состояния и т. д.
• в Российской империи: принадлежность к определённым сословиям («податным состояниям», например, городскому состоянию), регулировалась правами состояния.

 В физике:

• в классической механике — точка в фазовом пространстве;
• в статистической классической механике — функция распределения плотности вероятности в фазовом пространстве;
• состояние квантовой системы — описывается волновой функцией или матрицей плотности, определяемых набором квантовых чисел, характеризующих систему в данный момент времени;