Вопросы и ответы к зачёту Концепции современного естествознания

В теории относительности показывается, что энергия Е тела неразрывно связана с его массой т соотношением Е = тс², где с — скорость света в вакууме. Любое тело обладает энергией; если т_о — масса покоящегося тела, то его энергия покоя E_o = т_ос², эта энергия может переходить в другие виды энергии при превращениях частиц (распадах, ядерных реакциях и т. д.).

Согласно классической физике, энергия любой системы меняется непрерывно и может принимать любые значения. Согласно квантовой теории, энергия микрочастиц, движение которых происходит в ограниченной области пространства (например, электронов в атомах), принимает дискретный ряд значений. Атомы излучают электромагнитную энергию в виде дискретных порций — световых квантов, или фотонов.

7. Классические представления о движении, пространстве и времени.

Пространство и время - всеобщие формы существования материи. П. и В. не существуют вне материи и независимо от неё.

Пространственными характеристиками являются положения  относительно др. тел (координаты тел), расстояния между ними, углы между  различными пространственными направлениями (отдельные объекты характеризуются  протяжённостью и формой, которые  определяются расстояниями между частями  объекта и их ориентацией). Временные  характеристики — "моменты", в  которые происходят явления, продолжительности (длительности) процессов. Отношения  между этими пространственными  и временными величинами называются метрическими. Существуют также и  топологические характеристики П. и  В. — "соприкосновение" различных объектов, число направлений. С чисто пространственными отношениями имеют дело лишь в том случае, когда можно отвлечься от свойств и движения тел и их частей: с чисто временными — в случае, когда можно отвлечься от многообразия сосуществующих объектов.

8. Понятие эволюции.

Эволюция, лат., развитие одной формы из другой, более сложной и совершенной из простейшей (зародышевой) формы. Понятие, прилагавшееся первоначально в более узкой области биологии растений и животных (развитие взрослого живого организма из клетки; происхождение видов путем векового накопления изменений и Э. форм [учение Дарвина, трансформизм) было перенесено из органического мира в неорганический и получило значение всеобъемлющего философского принципа. Под эволюционной теорией разумеется монистическое мировоззрение, признающее, что во всей вселенной совершается великий и единый, неудержимо шествующий вперед процесс развития, процесс преобразования простых форм в более совершенные, которому подчинены все состояния и формы явлений: возникновение и движения небесных тел, образование земной коры и горных пород, растительного и животного мира на земле, жизнь человеческих обществ, все произведения человеческого духа: язык, литература, религия, мораль, право, искусство. Различают эволюционизм внутренний или идеалистический (преобразование форм происходит вследствие сил, начал, целей, заложенных внутри вещей) и эволюционизм внешний или материалистический (взаимодействие внешних факторов). Наиболее полным выразителем идеалистич. эволюционизма был Гегель, а эволюционизм современник Дарвина, фон Бэра, Спенсера и Геккеля сделался основой естествознания и социологии.

9. Основные положения общей и специальной теорий относительности А. Эйнштейна.

Прежде чем  говорить о теории относительности  Альберта Эйнштейна, нужно изучить  опыт других физиков.

В 1881 г. американский физик Майкельсон поставил опыт с целью выяснения участия эфира (гипотетическая всепроникающая среда, которой, по научным представлениям прошлых столетий, приписывалась роль переносчика света и вообще электромагнитных взаимодействий) в движении тел. С помощью этого опыта Майкельсон опроверг существовавшую в то время гипотезу неподвижного эфира. Смысл данной гипотезы заключался в том, что при движении Земли сквозь эфир можно наблюдать так называемый «эфирный ветер».

Однако опыт Майкельсона был использован  Эйнштейном всего лишь для подтверждения  своей теории относительности.

Эйнштейн  при создании теории хотел объединить механику и теорию электромагнитного  поля. В классической механике был  сформулирован принцип физической относительности, который заключался в том, что все механические процессы во всех инерциальных системах происходят одинаково.

Эйнштейн  же сформулировал обобщенный физический принцип относительности: все физические явления происходят одинаково относительно любых инерциальных систем.

Согласно  принципу постоянства скорости света  и обобщенному принципу относительности, относительность является одновременностью двух событий к системе отсчета. Раньше считалось, что одновременность  является абсолютным событием, которое  не зависит от наблюдателя. Но в своей  теории относительности Эйнштейн доказал, что время в движущейся системе отсчета протекает гораздо медленнее относительно течения времени в неподвижной системе отсчета.

Такие физические величины, как протяженность, время  и масса, в теории относительности  утратили свой статус абсолютности. Эйнштейн в качестве величины, которая имеет  статус постоянной, оставил лишь силу (например, сила тяготения). Общая теория относительности содержит геометрическое толкование явления тяготения. Эйнштейн утверждал, что сила тяжести эквивалента  равна искривлению неевклидова пространства. То есть объект, движущийся в пространстве и попавший в поле тяжести, изменяет траекторию своего движения.

Теперь можно  сделать вывод, что в теории относительности  Альберта Эйнштейна пространство и  время имеют физические характеристики. А раз они имеют физические характеристики, следовательно, они  являются частью мира физических процессов, причем частью, образующей всю внутреннюю структуру этого мира, «которая связана  с законами бытия физического  мира».

10. Корпускулярно-волновой дуализм.

Корпускулярно-волновой дуализм - лежащее в основе квантовой механики положение о том, что в поведении микрообъектов проявляются как корпускулярные, так и волновые черты.

По представлениям классической физики, движение частиц и распространение волн различаются  принципиально. Однако опыты по вырыванию  светом электронов с поверхности  металлов (фотоэффект), изучение рассеяния  света на электронах (эффект Комптона) и ряд др. экспериментов убедительно  показали, что свет — объект, имеющий, согласно классической теории, волновую природу, — ведёт себя подобно  потоку частиц. Световая "частица" (фотон) имеет энергию Е и импульс р, связанные с частотой n и длиной волны l света соотношениями: E=hn, p=h/l, где h — постоянная Планка. С другой стороны, оказалось, что пучок электронов, падающих на кристалл, даёт дифракционную картину, которую нельзя понять иначе, как на основе волновых представлений.

Таким образом, характерной особенностью микромира  является своеобразная двойственность, дуализм корпускулярных и волновых свойств, который не может быть понят  в рамках классической физики. Так, возникновение дифракционной картины  при рассеянии частиц несовместимо с представлением о движении их по траекториям. Естественное истолкование К.-в. д. получил в квантовой механике.

11. Динамические и статистические законы.

Это две основные формы закономерной связи явлений, отличающиеся прежде всего по характеру предсказаний, которые следуют из них. Предсказания статистических законов имеют вероятностный характер, который обусловлен действием множества случайных факторов внутри статистических коллективов, или массовых, повторяющихся событий (напр., большого числа молекул в газе, особей в биологических популяциях, людей в социальных коллективах). Статистические законы возникают как результат взаимодействия большого числа элементов, составляющих статистический коллектив, и характеризует не столько поведение отдельных его элементов, сколько коллектива в целом. Поэтому регулярность и повторяемость, проявляющиеся в статистических законах, возникают вследствие взаимной компенсации действия различных случайных факторов.

В динамических законах, характеризующих  поведение относительно изолированных  систем, состоящих из небольшого числа  элементов, предсказания являются однозначными и достоверными. Так, в классической механике, если известен закон движения системы и заданы начальные координаты и скорость, можно точно определить ее координаты и скорость в любой  др. момент времени. Распространение  динамических законов механики за рамки  области действительного их применения связано с концепцией механического  детерминизма, сторонники которой (П.С. Лаплас и др.) рассматривали Вселенную  как огромную механическую систему  и экстраполировали законы механики Ньютона на все явления и процессы природы. «Ум, — писал Лаплас, —  которому были бы известны для какого-либо данного момента все силы, одушевляющие природу, если бы вдобавок он оказался достаточно обширным, чтобы подчинить  все данные анализу, обнял бы в  одной формуле движения величайших тел Вселенной наравне с движением  легчайших атомов; не осталось бы ничего, что было бы для него недостоверно, и будущее, так же как прошедшее, предстало бы перед его взором». В этой концепции, получившей название лапласовского детерминизма, нет места случайности, все в ней предопределено строгими динамическими законами механики. Однако такая концепция пришла в противоречие не только с результатами исследований в биологии и социологии, но и в статистической механике и др. отраслях классической физики. Окончательный отказ от лапласовского детерминизма в физике произошел после открытия вероятностного характера законов движения мельчайших частиц материи. Современная квантовая физика показала, что движение микрообъектов можно описать только вероятностно-статистическими методами. Вероятностный характер предсказаний статистических законов объясняется взаимодействием большого количества объектов, составляющих статистический ансамбль. Поэтому предсказания таких законов относятся не к отдельным объектам статистического ансамбля, а ко всему ансамблю в целом. Судить же о движении или поведении отдельного объекта можно лишь с той или иной степенью вероятности. Следовательно, статистические законы служат для исследования таких систем, в которых взаимодействует большое число объектов, событий и явлений, поведение которых имеет случайный характер. Поэтому статистические законы нередко рассматривают как законы, характеризующие поведение большого числа массовых случайных или повторяющихся событий, причем под событием подразумевают любой объект или элемент статистического ансамбля.

В процессе научного познания исторически  первыми стали изучаться универсальные  законы, поскольку они обеспечивают достоверные предсказания. Во многом широкое признание такие законы получили в силу господства механистического мировоззрения.

12. Понятие физической картины мира. Панорама современного естествознания.

Физика  — это наука, изучающая простейшие и вместе с тем наиболее общие  закономерности природы, свойства и  строение материи и законы ее движения. В любом явлении физика ищет то, что объединяет его со всеми другими явлениями природы. Поэтому понятия и законы физики фундаментальны, т.е. являются основополагающими для всего естествознания.

Постоянное  развитие и замена одних картин мира другими, более адекватно отражающими  структуру и свойства материи, есть процесс развития самой физической картины мира. Основой для выделения  отдельных типов физической картины  мира служит качественное изменение  фундаментальных физических идей, являющихся базой для физической теории и  наших представлений о структуре  материи и формах ее существования.

В основе объяснения явлений природы с  точки зрения физики лежат фундаментальные  физические понятия и принципы. К  наиболее общим, фундаментальным понятиям физического описания природы относятся  материя, движение, физическое взаимодействие, пространство и время, причинно-следственные связи, место и роль человека в  мире.

Механическая картина  мира. Основу механической картины мира составил атомизм — теория, которая весь мир, включая человека, рассматривала как совокупность огромного числа неделимых материальных частиц — атомов. Они перемещались в пространстве и времени в соответствии с немногими законами механики.

Электромагнитная картина  мира. После создания Максвеллом теории электромагнитного поля стало возможным говорить о появлении электромагнитной картины мира.

Квантово-полевая картина  мира. Согласно электромагнитной картине мира окружающий человека мир представляет собой сплошную среду — поле, которое может иметь в разных точках различную температуру, концентрировать разный энергетический потенциал, по-разному двигаться и т.д. Сплошная среда может занимать значительные области пространства, ее свойства изменяются непрерывно, у нее нет резких границ. Этими свойствами поле отличается от физических тел, имеющих определенные и четкие границы. Разделение мира на тела и частицы поля, на поле и пространство является свидетельством существования двух крайних свойств мира — дискретности и непрерывности. Дискретность (прерывность) мира означает конечную делимость всего пространственно-временного строения на отдельные ограниченные предметы, свойства и формы движения, тогда как непрерывность (континуальность) выражает единство, целостность и неделимость объекта.

13. Соотношение классических и неклассических концепций естествознания в современной физической картине мира.

Постоянное  развитие и замена одних картин мира другими, более адекватно отражающими  структуру и свойства материи, есть процесс развития самой физической картины мира. Основой для выделения  отдельных типов физической картины  мира служит качественное изменение  фундаментальных физических идей, являющихся базой для физической теории и  наших представлений о структуре  материи и формах ее существования.

В основе объяснения явлений природы с  точки зрения физики лежат фундаментальные  физические понятия и принципы. К  наиболее общим, фундаментальным понятиям физического описания природы относятся  материя, движение, физическое взаимодействие, пространство и время, причинно-следственные связи, место и роль человека в  мире.

Механическая картина  мира. Основу механической картины мира составил атомизм — теория, которая весь мир, включая человека, рассматривала как совокупность огромного числа неделимых материальных частиц — атомов. Они перемещались в пространстве и времени в соответствии с немногими законами механики.

Электромагнитная картина  мира. После создания Максвеллом теории электромагнитного поля стало возможным говорить о появлении электромагнитной картины мира.

Квантово-полевая картина  мира. Согласно электромагнитной картине мира окружающий человека мир представляет собой сплошную среду — поле, которое может иметь в разных точках различную температуру, концентрировать разный энергетический потенциал, по-разному двигаться и т.д. Сплошная среда может занимать значительные области пространства, ее свойства изменяются непрерывно, у нее нет резких границ. Этими свойствами поле отличается от физических тел, имеющих определенные и четкие границы. Разделение мира на тела и частицы поля, на поле и пространство является свидетельством существования двух крайних свойств мира — дискретности и непрерывности. Дискретность (прерывность) мира означает конечную делимость всего пространственно-временного строения на отдельные ограниченные предметы, свойства и формы движения, тогда как непрерывность (континуальность) выражает единство, целостность и неделимость объекта.

14. Структурные уровни организации материи.

Микромир. Приставка «микро» означает отношение к очень малым размерам. Таким образом, можно сказать, что микромир – это что-то небольшое. В физике, в качестве микромира изучаются молекулы.