Курс лекций по "Концепции современного естествознания"

 (по характеру взаимодействия с окружающей средой)

• Изолированные (замкнутые)– не обмениваются ни энергией, ни веществом (в природе нет).
• Закрытые – обмен только энергией (термос с водой, консервы);
• Открытые – обмен и энергией, и веществом (биологические живые системы, физико-химические системы в открытых условиях, социальные системы (коллектив).

II. Классификация систем

(по ограничению во времени и в пространстве)

• распределенные – неограниченные (Вселенная, Интернет и т.д.)
• определенные (локализованные, ограниченные) (все остальные системы, таких систем – большинство).

 

Основные законы эволюционной (диссипативной) модели,

(законы термодинамики)

Термодинамика ввела системный  подход. Первым, кто изменил бывшее отношение к телам как к материальным точкам, был М. В. Ломоносов. Это видно из его молекулярно-кинетической теории (МКТ):

1. Все тела состоят из огромного числа мельчайших частиц (молекул и атомов);
2. Между ними существуют силы притяжения и отталкивания;
3. Температура тела определяется кинетической энергией движения молекул и наоборот (Броуновское движение) т. е. E_к = f(T).

Связь между температурой тела и кинетической энергией молекул четко сформулировал Л. Больцман (для идеального газа): E_к = (3/2)∙k_Б∙T, где k_Б=1,38∙10²³ Дж/К, Т – термодинамическая температура, измеряемая в кельвинах.

 

Термодинамика формировалась, как феноменологическая наука. Это  значит, что было сделано много технических открытий: разработка тепловых, паровых машин, а теоретическое обоснование запаздывало. Первые теоретические сведения были заявлены Фурье. Основой его теории было уравнение теплопроводности (или основное уравнение теплоты), выражающее характер взаимодействия более и менее нагретых тел. Суть в том,  что тепло передается от горячих тел холодным.

 

Все основные законы термодинамики называются началами.

I. Нулевое начало: «Температура – функция состояния равновесия». (Если в каждой точке системы температура постоянна, то наступает тепловое или термодинамическое равновесие) Пример: температура трупа.

По этому началу можно  определять живое и неживое. В живых системах всегда неравновесие, а в неживых – равновесие.

II. Первое начало термодинамики – закон сохранения энергии в термодинамике: «Количество теплоты, подведенное к системе, расходуется на изменение внутренней энергии и совершение работы этой системой»:

ΔQ = ΔU + A,

где ΔQ – количество теплоты, подведенное к системе;

ΔU – изменение внутренней энергии;

А – работа, совершаемая самой системой.

Следствие из первого начала термодинамики: невозможно создание вечного двигателя первого рода (Это такой двигатель, у которого коэффициент полезного действия (КПД), выражающийся как отношение полезной энергии (теплоты) к затраченной энергии,  больше единицы)

III. Второе начало  термодинамики (принцип возрастания  энтропии, он же – принцип рассеяния  энергии): «В изолированных системах  при реальных (необратимых) процессах  энтропия S всегда возрастает (ΔS > 0), а при идеальных процессах (обратимых) энтропия остается неизменной (ΔS = 0):

ΔS ≥ 0.

Энтропия (с греч. –  превращение) – мера хаоса или  неупорядоченности системы. Второе определение понятия «энтропия»: мера рассеяния энергии.

Формулы для определения энтропии или её изменения:

1) по Клаузиусу: ΔS = ΔQ/T_{равновесия}

2) по Больцману: S = k_Б ∙ln W, где W – термодинамическая вероятность (количество способов, которыми может воспользоваться система для того, чтобы перейти из одного состояния в другое или количество микросостояний между двумя макросостояниями).

Существует  еще одна формулировка второго начала термодинамики (оно отражает суть основного  уравнения теплоты): «Тепло необратимо переходит от более нагретых тел  к менее нагретым телам».

В изолированной системе  живой объект не сможет выжить, он придет к смерти (хаосу).

  Следствие из второго начала термодинамики:

1. Все упорядоченные  формы энергии переходят частично  в работу и частично в тепло – низкокачественную хаотичную легко рассеиваемую форму энергии;

2. Невозможно создание вечного двигателя второго рода, у которого КПД = 1;

3. Невозможна тепловая  смерть Вселенной, которую предсказывали ученые в XIX веке (они считали Вселенную – изолированной системой, что в настоящее время опровергнуто). В XX веке американский ученый Э. Хаббл экспериментально доказал, что Вселенная расширяется, что показывает ее открытость.

IV. Третье начало термодинамики (принцип недостижимости абсолютного нуля) или Теорема Нернста – Планка: «При абсолютном нуле невозможно протекание каких-либо природных процессов».

Абсолютный нуль – температура, при которой отсутствует тепловое движение молекул (т. е. кинетическая энергия молекул равна нулю). Энтропия при этой температуре тоже равна нулю.

 

Тема 6. Время и пространство

 в механистической и эволюционной моделях

Гераклит утверждал, что  все в мире существует в пространстве и во времени. Пространство по Левкиппу и Демокриту (Древняя Греция) состоит из атомов и пустоты. Пространство (по Аристотелю) не терпит пустоты. Как видно, определения понятия пространства Античной эпохи достаточно противоречивы.

Время и пространство (по И. Ньютону – механистическая  модель) – могут быть абсолютными, т. е. существовать независимо от материи.

Время и пространство – формы существования бесконечно развивающейся материи (по А. Эйнштейну в современном естествознании) или атрибуты существования материи т. е. её неотъемлемые свойства. Причем пространство и время – категории относительные и вместе представляют собой единую четырехмерную структуру (континуум).

Время – это нечто, с помощью чего можно выстроить последовательную цепь событий.

Свойства времени

Время в механистической (консервативной) модели	Реальное время (время  в эволюционной т. е. диссипативной модели)
1. Время как мера  длительности (промежуток времени  какого-то процесса)
2.–– –– –– –– –– –– –– –– –– –– –– –– Исторический аспект времени отсутствует (здесь нет  строгой направленности, время может  идти как от прошлого к будущему, так и наоборот). Т. е. в этой модели время однородно.	2. Время как исторический  аспект (строгая направленность времени от прошлого к будущему – некоторая «стрела времени» по Артуру Эддингтону)
3. .–– –– –– –– –– –– –– –– –– –– –– –– Этот аспект времени  также отсутствует, т. к. есть своя мера устойчивости – масса, которая влияет на инертность материальной точки, и в конечном счете, на её устойчивость	3. Время – мера устойчивости (Кто больше просуществовал – тот более устойчивый, например, фашисткая Германия просуществовала меньше чем Римская империя)

 

Пространство – нечто, характеризующее порядок расположения объектов относительно друг друга.

Пространство имеет  три масштаба.

1. Мега;
2. Макро;
3. Микро.

Мега – объекты – порядка или больше одной планеты.

Стандартные размерные  величины мегамасштаба:

• Астрономическая единица (среднее расстояние от Солнца до Земли) – расстояние, равное 150 млн км;
• Световой год – расстояние, проходимое лучом света в вакууме (со скоростью v = 300000 км /с) за один земной год (94,6∙10¹¹ км);
• Парсек (параллакс угловой секунды) – расстояние, равное 3,26световым годам;

 

Макро – объекты, доступные для наблюдения невооруженным глазом.

Микро – объекты, доступные для наблюдения с помощью технических средств (микроскопов) 10^-6 м до 10^-18 м

 

Размеры некоторых объектов микромасштаба:

1. Волна видимого света (от 10^-6 до 10^-7 нм);
2. Размер вирусов – 10^-6 м;
3. Атом водорода (радиус) – 10^-10;
4. Ядро атома (радиус) – 10^-15 м.

 

Свойства пространства

Пространство в механистической (консервативной) модели	Реальное пространство или пространство в эволюционной (диссипативной) модели
1. Пространство является  трехмерным;
2. Пространство является  непрерывным;
3. Изотропное	3. Неоднородное;
4. Однородное.	4. Неизотропное;

 

Евклидовость – сохранение аксиом в данном пространстве, их правомерность (например, вблизи больших гравитационных масс пространство искривляется, и в нем параллельные прямые могут пересекаться, т. е. аксиомы Евклида могут не выполняться).

Анизотропность – наличие направления ярко выраженных свойств (например, в кристалле).

 

Тема 7. Основные положения

специальной и общей теорий относительности

 

I. Постулаты (принципы)специальной теории относительности

(А. Эйнштейна)

 

1-ый принцип (принцип относительности): «Все физические процессы при одних и тех же условиях во всех инерциальных системах отсчета (ИСО) протекают одинаково».

Вспомним принцип относительности  Г. Галилео, который отличается от эйнштейновского  только одним словом – вместо слова «механические» Эйнштейн вставил «физические», имея в виду механические и электромагнитные процессы одновременно.

2-ой принцип (принцип инвариантности (постоянства) скорости света: «Скорость света (например, для вакуума составляет 3∙10⁸м/с) во всех ИСО остается постоянной независимо от скорости излучателя (источника) и приемника.

Первыми, кто экспериментально доказал, постоянство скорости света в разных ИСО, были Майкельсон и Морли.

 

Релятивисткие эффекты (по Лоренцу)

1. «Парадокс близнецов» означает, что для тела, движущегося с большими скоростями близкими к скорости света (например, брат-космонавт) время идет медленнее, чем для неподвижного (например, оставшийся на Земле). Получается, что брат на Земле постареет быстрее по сравнению с братом-космонавтом;
2. Увеличение массы тела, движущегося со скоростью, близкой к скорости света в системе отсчета, связанной с неподвижным наблюдателем (например, находящимся на Земле).
3. Сокращение длины тела, движущегося со скоростью, близкой к скорости света в системе отсчета, связанной с неподвижным наблюдателем (например, находящимся на Земле). При равенстве скорости этого тела скорости света, линейные размеры сокращаются до нуля (тело становится точкой).

 

 

 

 

II. Принципы общей теории относительности

 

Общая теория относительности содержит в основе специальную теорию относительности, но с поправками, учитывающих гравитационное воздействие. При изучении больших гравитационных масс и пространства вокруг них, было установлено, что свет может менять скорость, и в связи с эти 2-ой принцип был переписан: «Скорость света постоянна во всех ИСО, если гравитационными силами можно пренебречь».

Первый принцип и релятивисткие эффекты полностью сохранились.

Вблизи больших гравитационных масс пространство искривляется, а  время замедляется.

 

Тема 8. Фундаментальные взаимодействия (поля)

 

1. Сильное (ядерное) – взаимодействие между протонами и нейтронами в ядре с помощью частиц-переносчиков – глюонов обеспечивает целостность ядра, благодаря этому взаимодействию ядро не рассыпается на части (микромасштаб).
2. Электромагнитное взаимодействие (обеспечивается посредством фотонов между противоположно заряженными объектами) отвечает за существование атомов, молекул, материи на уровне макро- и  мегамасштабов (сильнее всего выражено в макромасштабе, но при этом проявляется и в микромасштабе);
3. Слабое характеризует процессы преобразования (аннигиляции), синтеза и распада элементарных частиц, обеспечивается посредством бозонов (действует во всех масштабах, сильнее всего проявляется  в микромасштабе);
4. Гравитационное – гравитационное поле создается частицами гравитонами и отвечает за современный вид Вселенной (действует во всех масштабах, сильнее всего проявляется  в мегамасштабе).