Вопросы и ответы к зачёту Концепции современного естествознания

Микромир имеет свои особенности, которые можно выразить так:

1) единицы измерения расстояния (м, км и т. д.), используемые человеком, применять просто бессмысленно;

2) единицы измерения веса человека (г, кг, фунты и т. д.) применять также бессмысленно.

Так как была установлена  бессмысленность применения единиц измерения расстояния и веса по отношению  к объектам микромира, то, естественно, потребовалось изобрести новые  единицы измерения.

Макромир. Естественно, есть объекты, которые по своим размерам гораздо больше объектов микромира. Эти объекты и составляют макромир. Макромир «населяют» только те объекты, которые по своим размерам соизмеримы с размерами человека. К объектам макромира можно отнести и самого человека. И, что естественно, человек является самой главной составляющей макромира.

Человек – это целая совокупность различных систем: кровеносной, нервной, мышечной, костной системы и т. д. Но помимо этого, одной из составляющих человека является его энергия, которая тесно связана с физиологией. Причем энергия может рассматриваться в двух смыслах:

1) как движение и способность производить работу;

2) «подвижность» человека, его активность.

Сознание – это нематериальный объект. Сознание нельзя взять и отделить от человека – оно неотделимо.

Ингредиенты, которые составляют человеческое сознание:

1) интеллект;

2) подсознание;

3) сверхсознание.

Интеллект – это мыслительная и умственная способность человека. Психологи утверждают, что главной функцией интеллекта является память.

Подсознание - все наши «рабочие» навыки. Навыки складываются из многократно повторяемых и однообразных действий.

Сверхсознание. К сверхсознанию относится прежде всего душа человека.

Мегамир – это мир объектов, которые несоизмеримо больше человека.

Вся наша Вселенная – это мегамир. Ее размеры огромны, она безгранична и постоянно расширяется. Вселенную заполняют объекты, которые значительно больше нашей планеты Земля и нашего Солнца. Нередко бывает, что разница между какой-либо звездой за пределами Солнечной системы в десятки раз превосходит Землю.

Исследование мегамира тесно связано с космологией и космогонией.

Наука космология является очень молодой. Она родилась сравнительно недавно  – в начале XX в. Можно выделить две главные причины рождения космологии. И, что интересно, обе причины связаны с развитием физики:

1) Альберт Эйнштейн создает свою релятивистскую физику;

2) М. Планк создает квантовую физику. Квантовая физика изменила взгляды человечества

на структуру пространства-времени  и структуру физических взаимодействий.

 

15. Основные принципы и законы квантовой физики.

Квантовой механикой называют теорию, устанавливающую способ описания и законы движения микрочастиц (элементарных частиц, атомов, молекул, атомных ядер) и их систем, а также связь величин, характеризующих частицы и системы, с физическими величинами, непосредственно измеряемыми опытным путем.

Законы  квантовой механики составляют фундамент  изучения строения вещества. Они позволяют  выяснить строение атомов, установить природу химической связи, объяснить  периодическую систему элементов, изучить свойства элементарных частиц.

Впервые в науке представления о кванте высказал в 1900 г. М. Планк в процессе исследования теплового излучения  тел. Своими исследованиями он продемонстрировал, что излучение энергии происходит дискретно, определенными порциями — квантами, энергия которых зависит  от частоты световой волны. Эксперименты Планка привели к признанию двойственного  характера света, который обладает одновременно и корпускулярными, и  волновыми свойствами, представляя  собой, таким образом, диалектическое единство этих противоположностей. Диалектика, в частности, выражается в том, что  чем короче длина волны излучения, тем ярче проявляются квантовые  свойства; чем больше длина волны, тем ярче проявляются волновые свойства света.

В 1924 г. французский физик Л. де Бройль выдвинул гипотезу, что корпускулярно-волновой дуализм имеет универсальный  характер, т.е. все частицы вещества обладают волновыми свойствами. Позднее  эта идея была подтверждена экспериментально, и принцип корпускулярно-волнового  дуализма был распространен на все  процессы движения и взаимодействия в микромире.

В частности, Н. Бор применил идею квантования  энергии к теории строения атома. Согласно его представлениям в центре атома находится положительно заряженное ядро, в котором сосредоточена  почти вся масса атома, а вокруг ядра вращаются по орбитам отрицательно заряженные электроны. Вращающиеся  электроны должны терять часть своей  энергии, что влечет за собой нестабильное существование атомов. Однако на практике атомы не только существуют, но и  являются весьма устойчивыми. Объясняя этот вопрос, Бор предположил, что  электрон, совершая движение по своей  орбите, не испускает квантов. Излучение  происходит лишь при переходе электрона  с одной орбиты на другую.

Спецификой  квантово-полевых представлений  о закономерности и причинности  является то, что они всегда выступают в вероятностной форме, в виде так называемых статистических законов. Они соответствуют более глубокому уровню познания природных закономерностей. Таким образом, оказалось, что в основе нашего мира лежит случайность, вероятность.

 

16. Типы физического взаимодействия.

Взаимодействие представляет собой развертывающийся во времени и пространстве процесс воздействия одних объектов на другие путем обмена материей и движением. Взаимодействие всегда выступает как движение материи, а любое движение включает в себя различные виды взаимодействия.

Гравитационное  взаимодействие первым из всех известных сегодня фундаментальных взаимодействий стало предметом исследования ученых. В классической науке оно описывается законом всемирного тяготения, согласно которому между двумя телами существует сила притяжения, которая прямо пропорциональна произведению их масс и обратно пропорциональна квадрату расстояния между ними. Отсюда следует, что любая материальная частица является источником гравитационного взаимодействия и испытывает его на себе. По мере увеличения массы вещества гравитационные взаимодействия возрастают, т.е. чем больше масса взаимодействующих веществ, тем сильнее действуют гравитационные силы.

Гравитационное взаимодействие является наиболее слабым из всех известных  современной науке взаимодействий, оно в 1040 раз слабее силы взаимодействия электрических зарядов. Чтобы эта  величина стала понятнее, можно провести следующую аналогию: если бы размеры  атома водорода определялись гравитацией, а не электромагнитными силами, то радиус электрона в нем превосходил  бы радиус доступной наблюдению части  Вселенной.

Электромагнитное  взаимодействие обладает универсальным характером и осуществляется между любыми телами в микро-, макро-и мегамире. Благодаря электромагнитным связям возникают атомы, молекулы и макроскопические тела. Все химические реакции представляют собой проявление электромагнитных взаимодействий, являются результатами перераспределения связей между атомами в молекулах, перестройки электронных оболочек атомов и молекул, а также количества и состава атомов в молекулах разных веществ. К электромагнитному взаимодействию сводятся все обычные силы: силы упругости, трения, поверхностного натяжения; им определяются агрегатные состояния вещества, оптические явления и др.

Слабое взаимодействие — третий тип фундаментального взаимодействия, которое действует только в микромире. Физической основой этого типа взаимодействия служит процесс распада частиц, поэтому его открытие произошло вслед за открытием радиоактивности.

 

17. Элементарные частицы (фотон, протон, электрон, мезон и др.).

Элементарные частицы в точном значении этого термина — первичные, далее неразложимые частицы, из которых, по предположению, состоит вся материя. В современной физике находит выражение идея о первообразных сущностях, определяющих все известные свойства материального мира, идея, зародившаяся на ранних этапах становления естествознания и всегда игравшая важную роль в его развитии.

Обнаружение на рубеже 19—20 вв. мельчайших носителей  свойств вещества — молекул и  атомов — и установление того факта, что молекулы построены из атомов, впервые позволило описать все  известные вещества как комбинации конечного, хотя и большого, числа  структурных составляющих — атомов. Выявление в дальнейшем наличия составных слагающих атомов — электронов и ядер, установление сложной природы ядер, оказавшихся построенными всего из двух типов частиц (протонов и нейтронов), существенно уменьшило количество дискретных элементов, формирующих свойства вещества, и дало основание предполагать, что цепочка составных частей материи завершается дискретными бесструктурными образованиями — Э. ч. Такое предположение, вообще говоря, является экстраполяцией известных фактов и сколько-нибудь строго обосновано быть не может. Нельзя с уверенностью утверждать, что частицы, элементарные в смысле приведённого определения, существуют. Протоны и нейтроны, например, длительное время считавшиеся Э. ч., как выяснилось, имеют сложное строение. Не исключена возможность того, что последовательность структурных составляющих материи принципиально бесконечна. Может оказаться также, что утверждение "состоит из..." на какой-то ступени изучения материи окажется лишённым содержания. От данного выше определения "элементарности" в этом случае придется отказаться. Существование Э. ч. — это своего рода постулат, и проверка его справедливости — одна из важнейших задач физики.

Термин "Э. ч." часто  употребляется в современной  физике не в своём точном значении, а менее строго — для наименования большой группы мельчайших частиц материи, подчинённых условию, что они  не являются атомами или атомными ядрами (исключение составляет простейшее ядро атома водорода — протон). Как  показали исследования, эта группа частиц необычайно обширна. Помимо упоминавшихся протона (р), нейтрона (n) и электрона (e^-) к ней относятся: фотон (g), пи-мезоны (p), мюоны (m), нейтрино трёх типов (электронное v_e, мюонное v_m и связанное с т. н. тяжёлым лептоном v_t), т. н. странные частицы (К-мезоны и гипероны), разнообразные резонансы, открытые в 1974—77 y-частицы, "очарованные" частицы, ипсилон-частицы (¡) и тяжёлые лептоны (t⁺, t^—) — всего более 350 частиц.

 

18. Концепция нестационарной (расширяющейся) Вселенной.

В 1922 г., советский физик и математик А. Фридман на основе строгих расчетов показал, что Вселенная Эйнштейна не может быть стационарной, неизменной. При этом Фридман опирался на сформулированный им космологический принцип, который строится на двух предположениях: об изотропности и однородности Вселенной. Изотропность Вселенной понимается как отсутствие выделенных направлений, одинаковость Вселенной по всем направлениям. Однородность Вселенной понимается как одинаковость всех точек Вселенной: мы можем проводить наблюдения в любой из них и везде увидим изотропную Вселенную.

Фридман на основе космологического принципа доказал, что уравнения Эйнштейна  имеют и другие, нестационарные решения, согласно которым Вселенная может  либо расширяться, либо сжиматься. При  этом речь шла о расширении самого пространства, т.е. об увеличении всех расстояний мира. Вселенная Фридмана напоминала раздувающийся мыльный  пузырь, у которого и радиус, и  площадь поверхности непрерывно увеличиваются.

Первоначально модель расширяющейся Вселенной  носила гипотетический характер и не имела эмпирического подтверждения. Однако в 1929 г. американский астроном Э. Хаббл обнаружил эффект «красного  смещения» спектральных линий (смещение линий к красному концу спектра). Это было истолковано как следствие  эффекта Допплера — изменение частоты колебаний или длины волн из-за движения источника волн и наблюдателя по отношению друг к другу. «Красное смещение» было объяснено как следствие удаления галактик друг от друга со скоростью, возрастающей с расстоянием. Согласно последним измерениям увеличение скорости расширения составляет примерно 55 км/с на каждый миллион парсек.

В результате своих наблюдений Хаббл обосновал  представление, что Вселенная —  это мир галактик, что наша Галактика  — не единственная в ней, что существует множество галактик, разделенных  между собой огромными расстояниями. Вместе с тем Хаббл пришел к выводу, что межгалактические расстояния не остаются постоянными, а увеличиваются. Таким образом, в естествознании появилась концепция расширяющейся Вселенной.

 

19. Модели нестационарной Вселенной.

Фридман предложил три модели развития Вселенной.

В первой модели Вселенная расширяется медленно для того, чтобы в силу гравитационного притяжения между различными галактиками расширение Вселенной замедлялось и в конце концов прекращалось. После этого Вселенная начинала сжиматься. В этой модели пространство искривляется, замыкаясь на себя, образуя сферу.