Часть I

Глава 1. Введение

1.1. Наука и культура

Все сущее во все века

Без счета верст

Невидимый связует мост,

И не сорвать тебе цветка,

не стронув звезд

Френсис Томпсон

 

Культура является проявлением творческого начала в человеке, инструментом раскрытия его возможностей и его общественной значимости. Исторически основой любой культуры является религия, и чем дальше современная культура отходит от культа, тем больше теряет в своём внутреннем содержании.

Основные составляющие культуры:

1. Мораль - духовно-нравственный элемент культуры, реализуется в религиозных концессиях: христианстве, мусульманстве, буддизме, иудаизме;

2. Искусство - эстетический элемент, реализуется в искусстве;

3. Наука - интеллектуальный элемент культуры;

4. Медицина и спорт - психический и физический элементы культуры.

Понятие «Наука» в переводе с латинского языка буквально означает «знание». Наука изучает мир природы, мир человека и мир знаний и навыков, это важнейший элемент культуры.

Сближение науки и гуманитарных областей человеческой деятельности естественно и объективно закономерно, так как в их основе лежит единое начало – творчество.

Рис. 1.1. Структура научной культуры

 

Лауреат Нобелевской премии датский физик Нильс Бор писал: «Причина, почему искусство может нас обогатить, заключается в его способности напомнить нам о гармониях, недосягаемых для систематического анализа».

 

Рис 1.2. Отличие науки от других форм освоения действительности

 

Наука - сфера человеческой деятельности, функция которой выработка и теоретическая систематизация объективных знаний о действительности, одна из форм общественного сознания. Она включает в себя как деятельность по получению новых знаний, так и ее результат – сумму знаний, лежащих в основе научной картины мира; обозначение отдельных отраслей знания.

Содержательный аспект науки определяет сферу знаний об основных частях бытия (природа, человек и общество, техника)

Наука – особый рациональный способ познания мира, основанный на эмпирической проверке или математическом доказательстве, это способ отражения, описания и преобразования мира с целью прогнозирования в определённых условиях

Цели науки - описание, объяснение и предсказание процессов и действительности, составляющих предмет ее изучения, на основе открываемых ею законов.

Формула науки ― знать, чтобы предвидеть; предвидеть, чтобы действовать с пониманием  дела.

Рис.1.3.  Характерные черты науки

 

Наука является производительной силой и важнейшим социальным институтом, оказывающим значительное влияние на все сферы общества и культуру в целом.

Основной формой современного научного знания является научная теория, которая по вертикальной иерархии строения научного знания является ее вершиной. Любое научное знание покоится на многочисленных наблюдениях и экспериментальных данных.

Фундаментальное единство материального мира, взаимосвязь явлений природы является объективной основой познаваемости мира.

Современная наука имеет сложную организацию и представляет собой разветвленную систему достоверных, обобщенных и логически взаимосвязанных знаний. Многочисленные дисциплины объединены в комплексы наук. В настоящее время насчитывается около пятнадцати тысяч научных дисциплин.

Согласно современным представлениям о природе научного знания можно отметить, что появление науки происходило в Древней Греции в 7 – 6 веках до нашей эры. Среди известных греческих ученых того времени можно выделить Фалеса Милетского, Архимеда, Пифагора Самосского, Евклида, Евдокса Книдского, Гиппократа, Аристотеля.

Введение понятия парадигмы позволило рассматривать процесс развития науки не как простое накопление отдельных открытий и изобретений, не как простой прирост знаний, а как процесс, условно разделенный на этапы. Парадигма в переводе с греческого языка означает пример, образец.

Парадигма – модель действительности; система фактов, теоретических представлений и философских обобщений, принятая большинством ученых и создающая каркас для решения той или иной научной проблемы.

Когда новые открытия ставят под сомнения существующую парадигму, происходит так называемая смена парадигмы. Например, когда в 1929 г. Эдвин П. Хаббл и другие ученые обнаружили, что Вселенная расширяется, старая стационарная модель или парадигма Вселенной была заменена новой. Появление в начале 20-го века квантовой физики привело к возникновению новой парадигмы в физике, заменившей старые ньютоновские представления.

Основные идеи, которые позволяют объяснить изучаемые явления с единой точки зрения и играют объединительную, обобщающую роль в науке, называются научными концепциями.

Концепция (от лат соnceptio – понимание, система) – определенный способ понимания, трактовки каких-либо явлений, основная точка зрения, руководящая идея для освещения, ведущий замысел, конструктивный принцип различных видов деятельности.

Научная грамотность – способность понимать достаточно хорошо, чтобы быть в состоянии следить за обсуждением спорных вопросов науки, техники и общества, а при необходимости участвовать в нем.

Американская ассоциация за прогресс науки (АААS) дает определение грамотного человека – это «тот, кто знает, что естественные науки, математика и техника представляют собой занятия независимого человека, прилагающего все свое упорство, но имеющего ограниченные возможности; кто понимает главные концепции и принципы науки; кто знаком с миром природы и может судить о его разнообразии и единстве; кто принимает научные знания и научные способы мышления для решения социальных задач и проблем отдельных индивидуумов».


1.2. Наука и религия

Если хочешь постичь взаимосвязь между миром и тем,

как Бог управляет им, - изучай астрономию и физику

Маймонид «Наставник колеблющихся»

 

Наука и религия – соперники или союзники?

Для подавляющего большинства ответ несомненен – соперники давние и вечные. Выйдя из-под крыла древней магии и пришедшей на смену религии, наука веками боролась за независимость. Борьба была жестокой и зачастую беспощадной - судьбы Галилея и Джордано Бруно тому пример.

К концу ΧVII века была достигнута полная независимость науки от религии. И маятник взаимоотношений науки и религии качнулся в другую сторону; возник и набрал силу воинствующий атеизм (вольтеровское «Раздавите гадину»). В Великую французскую революцию религия впервые испытала на себе несправедливые притеснения со стороны поборников свободы слова и мысли. ΧΙΧ век принес реакцию, но авторитет науки, поддержанный промышленным переворотом, уже настолько упрочен, что ей не опасно наступление религии.

К началу ΧΧ века в просвещенной части общества атеизм, основанный на вере во всемогущество науки, победил окончательно: «Бог умер» - провозгласили философы. В этом таилась одна из главных опасностей для чисто атеистического научного мышления.

«Наука, совершив круг, по черте которого частью разрешены, частью грубо рассечены, ради свободного движения умов, труднейшие вопросы нашего времени, вернула религию к ее первобытному состоянию – уделу простых душ; безверие стало столь плоским, общим, обиходным явлением, что утратило всякий оттенок мысли, ранее придававший ему, по крайней мере, характер восстания: короче говоря безверие – это жизнь». Именно такое безверие стало государственной религией в России на 70 лет.

Божье имя, как большая птица,

Вылетело из моей груди,

Впереди густой туман клубится

И пустая клетка позади.

(О.Э Мандельштам)

Теперь в начале двадцать первого века в России идеологический диктат исчез, и в остальном мире научный атеизм прошел пик своей популярности. Маятник качнулся в обратную сторону – опасно ли это? Научно-технический прогресс глубоко проник в нашу жизнь, а через него в сознание даже далеко от науки человека, это уже необратимо. Не следует опасаться, что религия вернет  хотя бы малую часть своего влияния на науку, значительно большую опасность представляет собой полузнание, вульгаризация научных результатов и методов.

Двадцатый век показал, что нет смысла рассматривать религию как векового врага. Это не значит, что произошло идейное сближение науки и религии. Их основы так и остались диаметрально противоположными: наука по-прежнему основана на знании, полученными научными методами, а религия – на вере. Более того, эта противоположность со временем даже поляризуется: требования к строгости научных результатов все возрастают, а современная религиозность становится все более основанной на мистической убежденности.

Есть причины ренессанса религии в нашей стране в начале весьма просвещенного XXI-го века, и они не связаны с достижениями науки.

Первая из них – это обратная зависимость между степенью религиозности и количеством личного счастья, за последние два десятилетия люди стали более свободными, но менее счастливыми;

Вторая причина – рост национальных чувств. В религии люди хотят приобрести свою исчезающую  в современном нивелирующем мировом обществе «истинную» национальность. Для «истинного» русского – это, разумеется, православие, причем со всеми мелкими деталями обрядности. Здесь религия является частью исторической культуры народа.

Третья причина (для многих основная) связана с представлением о Боге как о носителе высшей и абсолютной морали. Вера в Бога спасает от разочарования в человеке. 

Четвертая причина, по которой в религию пришло относительно небольшое количество людей, среди которых есть фигуры такого масштаба, как Альберт Эйнштейн. Это приход к религии от «ума», от размышлений о роли и месте науки в окружающем мире. Это «научно открытый Бог» (выражение русского астрофизика Вл. Ляпунова).

Наука берется объяснять не все существующие явления, а только их часть (хотя и громадную). Это, главным образом, повторяющееся, или, как говорят, закономерные явления. Там, где можно установить закон, наука вне конкуренции и предсказания достигают фантастической точности. По поводу редких или единичных событий ее предсказания вероятны и потому они могут оказаться ошибочными. По мере накопления фактов, область применения науки непрерывно расширяется,  возникают новые научные направления - короче говоря, мир познаваем и мир познается.

Эта научная познаваемость окружающего нас мира есть самое замечательное, чудесное свойство нашей Вселенной, «это «чудо, или вечная загадка» привели, по-видимому, А. Эйнштейна к религии.

Можно сказать и так, рациональным чудом является отсутствие иррациональных «чудес». Замечателен факт, что наука, сознательно ограничив круг изучаемых явлений и методов исследования, то есть, упростив мир, способна постепенно, шаг за шагом постигать Вселенную.

Научная познаваемость окружающего нас мира – это не всеобщий, а частный принцип. Наша Вселенная, несомненно, познаваема, но можно вообразить другую вселенную с такими фундаментальными законами, которые не обладают свойством, которое начинается алгоритмической сжимаемостью.

Специалист в области физической химии Майкл Полани высказал предположение о существовании двух типов знания, взаимодополняющих друг друга (принцип дополнительности Бора) – явного, центрального открытого и неявного, периферийного скрытого. Существование последнего типа знания обычно остается неосознанным (человек всегда знает больше, чем может сказать) и накапливается такое знание путем не логических операций, а «вживания». Принцип неопределенностей Бора, вызванный к жизни странностями микромира заново открывается биологами, философами.

Новыми методами познания и творчества в наше время порождена новая наука – синергетика, изучающая нелинейные процессы взаимодействия различных систем и допускающая обязательное участие в этих процессах хаоса, случайности, вероятности. Синергетические методы познания природы помогают человеку раскрыть тайну мироздания  и тайну человеческого присутствия в нем.

Наука, искусство и религия  – три главных основания культуры. Середина любой культуры – сам человек.

Непознанные тайны всегда останутся, задавая ему цель, перспективу духовного поиска, а значит – жизни.

Но трезво приступайте к чуду.

Да указует разум всюду,

Где жизнь благотворит живых.

В ничто прошедшее не канет,

Грядущее досрочно манит

И вечностью заполнен миг.

Пер. Н. Вильмонт


Глава 2.
Естественнонаучная картина мира

2.1.  Общая характеристика естествознания и естественных наук

Все науки настолько связаны между собой,

что легче изучать их все сразу,

нежели какую-либо одну из них

в отдельности от всех прочих

Рене Декарт

 

Научные дисциплины, образуют в своей совокупности систему науки в целом. Стремление ученых к систематизации наук позволило выработать классификационные признаки наук, которые  подразделяют на естественные, технические и гуманитарные. Резкой грани между этими подсистемами нет, ряд научных дисциплин промежуточное положение. Принцип классификации наук в зависимости от объекта исследования показан на рис. 2.1. На рис 2.2 представлена основа общей классификации наук.

Рис. 2.1. Принцип классификации наук в зависимости от объекта исследования

По своей направленности, по непосредственному практическому применению науки принято подразделять на фундаментальные и прикладные.

Фундаментальные естественные науки - физика, химия, астрономия изучают базисные структуры мира, их задача познание законов, управляющих поведением и взаимодействием базисных структур природы.

Прикладные науки занимаются применением результатов фундаментальных исследований для решения познавательных и социально- практических задач. Все технические науки являются прикладными.

 

Рис 2.2. Классификация наук

 

Естественнонаучная культура представляет совокупный результат,  достигнутый в естествознании и его приложениях. Специфика естественнонаучной культуры состоит в том, что знания о природе постоянно совершенствуются, отличаются высокой степенью объективности, представляет собой  наиболее достоверный слой массива человеческого знания, имеющего большое значение для существования человека и общества. Это глубоко специализированные знания.

Естественные науки в качестве объекта исследования выбирают все формы и структуры неживой и живой природы, в том числе и биологические аспекты жизнедеятельности человека. Современное естествознание как совокупность наук о природе сложилось к концу XIX века.

Естествознание ― это наука о диалектическом единстве, взаимосвязи, взаимозависимости, изменчивости неживых и живых видов, а так же форм существования микро-, макро- и мегамиров.

Естествознание является  не объединением, а пересечением множества  естественных наук. Основу этой системы составляют физика,  химия, биология,  астрономия и география  (рис. 2.3).

 

Рис. 2.3. Пересечение множества естественных наук

Ф ― физика, А ― астрономия, Б ― биология, Г ― география, Х – химия, Е ― естествознание.

 

Основной принцип естествознания – знания о природе должны допускать эмпирическую (опытную) проверку.

Цели естествознания:

1. Раскрытие сущности явлений природы, познание их законов  и предвидение на их основе новых явлений;

2. Поиск единого основания, обуславливающего разнообразите предметов, явлений природы и ее основных законов, связывающих микро-макро и мегамиры.

3. Указание на возможность использовать на практике познанные законы природы.

Задача естествознания – это познание Природы, ее законов  форм бытия.

Современное естествознание исследует семь основных проблем мироздания (таблица 2.1):

Таблица 2.1

1

Сущность  материи и силы

 

Физика

2

Происхождение движения

3

Происхождение жизни

 

Биология

4

Целесообразность природы

5

Возникновение ощущения и сознания

 

Психология

6

Возникновение мышления и речи

7

Свобода воли

 

Самые сложные и нерешенные проблемы связаны с происхождением жизни и загадкой человеческого сознания.

Таблица 2.2

Структура  курса Концепции современного естествознания

Основные проблемы, идей, теории естественных наук

Научные принципы, познания, методы, модели

Результаты современного естествознания

В историческом развитии и современном состоянии

Представления, выработанные естественными науками, интегрированы в современную научную картину мира, которая непрерывно уточняется и дополняется. Понимание единства и гармонии элементов этой картины составляет основу научного мировоззрения. Основные тенденции в развитии естествознания представлены на рисунке 2.4.

Рис.2.4. Основные тенденции в развитии естествознания


2.2. ОСНОВНЫЕ ЕСТЕСТВЕННЫЕ НАУКИ

Жить – это выяснять

А. Камю

 

Астрономия ―  наука о Вселенной; изучает движение небесных тел, их природу, происхождение и развитие.

Важнейшие разделы:

·            космология -  физическое учение о Вселенной, как целом, её устройстве и развитии,

·            космогония  изучает вопросы происхождения и развития небесных тел, планет, звёзд, галактик.

1. Физика одна из наиболее  развитых и древних наук, определяющая развитие естествознания. Она изучает наиболее общие свойства материи и формы её движения (механическую, тепловую, электромагнитную, атомную и ядерную). Физика состоит из   множества  разделов - общая,  теоретическая и  экспериментальная физика, молекулярная, ядерная и атомная физика, механика, электромеханика, электромагнетизм, оптика,  физика элементарных частиц,  квантовая физика и т.д.. Физика знакомит нас с наиболее общими законами природы, управляющими течением процессов в окружающем  мире и во Вселенной в целом.

2. Химия наука о веществах, их составе, строении, свойствах и взаимных превращениях; изучает химическую форму движения и делится на неорганическую и органическую химию, биохимию, геохимию, биогеохимию, физическую химию, термохимию, электрохимию, фотохимию, ядерную химию, криохимию, плазмо-, механо- космохимию, прикладную химию и т.д.

3. Биология относится к наукам о живой природе и является самой разветвлённой наукой; она изучает процессы жизнедеятельности живых организмов и  их взаимодействия, о многообразии вымерших и ныне населяющих Землю живых существ, их строении и функциях, происхождении, распространении и развитии,  связях друг с другом и с неживой природой.

Разделы биологии:  ботаника; микология (наука о грибах); зоология; физиология растений, животных и человека; анатомия; биологическая химия; микробиология; экология; биоценология; гидробиология; цитология - учение о клетке; биофизика; генетика; эмбриология; вирусология; косметическая биология и т.д.

4. Геология – комплекс наук о составе, строении и истории земной коры и Земли. Современная геология включает в себя стратиграфию, тектонику региональную геологию, литологию, геохимию, минералогию, петрографию, учение о полезных ископаемых, геофизику, гидрогеологию, геокриологию, петрофизику, петрохимию, тектофизику и т. д.


2.3. ЕСТЕСТВЕННО-НАУЧНАЯ КАРТИНА МИРА

Красивости не терпит Красота.

Не знает позы мудрая природа,

 Она невинна, потому проста,

 И радует в любое время года

Иеромонах Роман

 

Всё, что мы наблюдаем, ощущаем и познаём, объединено понятием мир. Наблюдаемая сторона Мира связана с понятием природа; чувственная сторона - с человеком; познаваемая сторона Мира относится к «Логосу» (в переводе с греческого языка означает Слово, Разум, Бог).

Мир ― это всё существующее, это событие Логоса, человека и природы (рис. 2.5).

 

Рис. 2.5

Таблица 2.3. Функции Логоса, природы и человека

Функции Логоса, природы и человека

Логос

создание законов и порядков в природе и управление природой и человеком.

Природа

носитель  Логоса и человека

Человек

эталон разумного в природе

 

Под влиянием всех наук складывается полное и  гармоническое представление о мире в целом –  научная картина мира.

В настоящее время для развития научной картины мира возникла необходимость взаимодействия множества наук. Сформировалось интегрированное научное направление, называемое современным естествознанием.

Картина мира – целостное миропонимание, синтезирующее знания на основе систематизирующего начала (научного принципа,  идеи,  религиозного догмата и т.д.), который определяет мировоззренческую установку человека,  его ценностные поведенческие ориентиры.

Картина мира – это не сам мир, а только представление о нем, которое постоянно уточняется. Картина мира – это особый высокоорганизованный вид знаний, их синтез путем широких философских обобщений на базе интегративных понятий, касающихся всех форм движения материи, с учетом уровней организации материи и принципа историзма.

В период зарождения человечества восприятие им мира носило преимущественно мистически-религиозный характер, оно отражалось в религиозных и мифологических картинах мироздания.

Религиозная картина мира основана на вере постижения божественного порядка, она отличается иерархичностью взаимоотношений  двух целостностей Бога и Его творения человека).

Мифологическая картина мира представляет созерцательное, целостное постижение Мира, при котором восприятие природы осуществляется через одухотворённых существ, магические, фантастические свойства, формы и явления.

Научную парадигму, обобщающую все ранее накопленные знания о природе, а также обусловленные или философские идеи и понятия называют естественнонаучной картиной мира. 

Натурфилософия, которая начала складываться в античном мире в VII - VI  в.в. до н.э., впервые стала объяснять природу на основе общего знания о ней и выяснения связей и закономерностей явлений природы.

Так начала формироваться естественнонаучная картина Мира (ЕНКМ) ― упорядоченная целостность знаний о Вселенной и человеке, формирующаяся на базе фундаментальных открытий и достижений, прежде всего естествознания (астрономии, физики, химии, биологии и др.).

В истории развития науки существовало множество ЕНКМ, каждая из которых была обусловлена совокупностью знаний о природе данного исторического периода. При этом каждой ЕНКМ соответствует свой этап развития науки. Развитие естествознания идет эволюционным путем без изменения исходных положений картины мира. Если же картина меняется, то меняется вся система исходных понятий, принципов, гипотез и образа мышления. На рис. 2.6 показана современная естественнонаучная картина мира.

Подпись: Второй закон термодинамикиПодпись: Принцип минимума потенциальной энергииПодпись: Закон сохранения энергииПодпись: Закон сохранения электрического зарядаПодпись: Закон сохранения массыПодпись: Периодический законПодпись: Корпускулярно-волновой дуализм



Дискретность вещества и энергии



Законы сохранения



Однородность пространства и времени



 Относительность

Рис. 2.6. Структура естественнонаучной картины мира (ЕНКМ)

 

Одной из центральных проблем современной ЕНКМ становится синтез знаний, поиск единства наук, дробление крупных разделов науки на более мелкие, образование новых самостоятельных дисциплин.

Физическая картина мира (ФКМ) обусловлена развитием науки физики.

 

Физическая картина мира

Общее теоретическое знание в физике, которое включает:

основополагающие философские и физические идей

фундаментальные физические теории

основные принципы, законы и понятия;

принципы и методы познания

ФКМ есть обобщение всех ранее полученных знаний о природе и определенная степень познания человеком материального мира и его закономерностей

ФКМ есть процесс введения в физику новых основополагающих идей. принципов. понятий и гипотез, которые меняют основы теоретической физики, одна ФКМ меняется другой

Схема ФКМ связана со сменой представлений о материи: от атомистических, корпускулярных представлений о материи к полевым, континуальным., а затем квантовым Отсюда и три картины мира: механическая, электромагнитная и квантово-полевая

 

Рис. 2.7. Физическая картина мира

 

Таблица. 2.4. Основные физические теории

Теория

Область пространства

Типичные объекты

Тип взаимодействия

Типичные явления (процессы)

Механика

1025 – 10-8 (условно)

Звезды, планеты, тела на Земле

Гравитационное

Электромагнитное

Движение в пространстве макротел: звезд, планет, кораблей, самолетов и т.п.

Электродинамика

1025 – 10-17 (условно)

Поле

Волны

Заряды

Электромагнитное

Существование электрических полей. Распространение волн. Свет. Электрические токи. Магнитные поля

Квантовая механика

10-8 – 10-13

Атомы, электроны в атомах и молекулах

Электромагнитное

Квантование энергии атомных систем. Излучение и поглощение света. Взаимодействие атомов

Квантовая электродинамика

10-8 – 10-13

Электроны

Фотоны

Электромагнитное

Взаимодействие фотонов и электронов: тепловое излучение тел, тормозное излучение, эффект Комптона и др.

 

Теория сильных и слабых взаимодействий

10-13 – 10-18

Элементарные частицы

Сильное

Слабое

Взаимные превращения элементарных частиц

 

Статистическая физика

1025 – 10-17

От систем электронов до систем звезд

Любое

Движение молекул в жидкости и газе, радиоактивный распад, плазма и др.

 

Термодинамика

1025 – 10-3 (условно)

Любые макросистемы

Электромагнитное

Теплопередача. Работа

 

 

На основе механической картины мира в XVIII - начале XIX в.в была разработана земная, небесная механика и молекулярная физика. Макромир и микромир подчиняются одним и тем же законам. Это привело к абсолютизации механической картины мира, она стала рассматриваться в качестве абсолютной.

 

Механическая картина мира (МКМ)

Формируется на основе:

механики Леонардо да Винчи (1452 – 1519);

гелиоцентрической системы Н. Коперника (1773 – 1543);

экспериментального естествознания Г. Галилея (1564 – 1642);

законов небесной механики И. Кеплера (1571 – 1630)

механики И. Ньютона (1643 0 1727)

Характерные особенности МКМ:

В рамках МКМ сложилась дискретная (корпускулярная) модель реальности:

Материя – вещественная субстанция, состоящая из атомов или корпускул;

атомы абсолютно прочны, непроницаемы, характеризуются наличием массы и веса

Движение – простое механическое перемещение

Законы движения – фундаментальные законы мироздания.

Тела двигаются равномерно и прямолинейно, а отклонение от этого движения есть действие внешней силы.

Мерой инерции является масса.

Универсальным свойством тел является сила тяготения, которая является дальнодействующей

Субстанциальная концепция абсолютного пространства и времени:

Пространство трехмерно, постоянно и не зависит от материи;

Время не зависит ни от пространства, ни от материи;

Пространство и время никак не связаны с движением тел. Они имеет абсолютный характер.

Принцип дальнодействия – взаимодействие между телами происходит мгновенно на любом расстоянии, то есть действия могут передаваться в пустом пространстве с какой угодно скоростью

Все механические процессы подчиняются принципу детерминизма. Случайность исключается из картины мира.

Тенденция сведения закономерности высших форм материи к закономерностям простейшей его формы – механическому движению

 

 

 

Рис. 2.8. Структура и содержание механики

 

Современная физическая картина мира основана на следующих теориях:

1. Континуальная теория (от латинского - непрерывный) рассматривает повторяющееся непрерывные процессы, колебания, которые происходят в окрестности некоторого среднего положения. По  природе различают физические (механические, электромагнитные, электромеханические, термодинамические), химические и биологические колебания. При распространении колебаний в среде возникают волны.  Волной называют распространение в пространстве изменений состояния. То есть изменения какой-либо физической величины. Таким образом, континуальная теория описывает волновые процессы.

2. Корпускулярная теория (от латинского - частица) основана на том, что вещества состоят из молекул, молекулы из атомов. Атомы из элементарных частиц, и таким образом, все тела состоят из неделимых частиц, имеющих определенные размеры и импульс (массу и скорость).

 

Электромагнитная картина мира (ЭМКМ)

Формируется на основе:

начал электромагнетизма М.Фарадея (1791 – 1867);

теории электромагнитного поля Дж. Максвелла (1831 – 179);

электронной теории Дж. Лоренца (1853 – 1928);

постулатов теории относительности А. Эйнштейна (1879 – 1955)

Характерные особенности:

В рамках ЭМКМ сложилась полевая, континуальная (непрерывная) модель реальности:

 Материя – единое непрерывное поле с точечными силовыми центрами – электрическими зарядами и волновыми движениями в нем;

Мир - электродинамическая система, построенная из электрически заряженных частиц. взаимодействующих посредством электромагнитного поля.

Движение  распространение колебаний в поле, которые описываются законами электродинамики

Принцип близкодействия – взаимодействия любого характера передаются полем от точки к точке непрерывно и с конечной скоростюю

Реляционная (относительная) концепция пространства и времени:

Пространство и время связаны с процессами. происходящими в поле, то есть несамостоятельны и зависимы от материи

В ЭМКМ было введено понятие вероятности

А. Эйнштейн ввел в ЭМКМ идею относительности пространства и времени в общей теории относительности (ОТО), ставшей последней крупной теории (1916) в рамках ЭКМ

Игнорирование дискретной, атомистической природы вещества приводит масквелловскую электродинамику к ряду противоречий, которые снимаются электронной теорией Дж. Лоренца. Она восстанавливает в своих правах дискретные электрические заряды и  сохраняет  поле, как объективную реальность.

 

Рис 2.9. Структура и содержание классической электродинамики

 

При изучении ряда явлений природы выяснилось, что для их описания целесообразно использовать положения как корпускулярной,  так и волновой теории. Такой способ описания материи стал называться корпускулярно-волновым дуализмом (двойственностью).

 

Таблица. 2.5. Волновая оптика

Явление

Определение

Теория, объясняющая явление

Проявления в природе. Использование в технике

Интерференция света

Сложение когерентных световых волн, при котором возникает  устойчивая во времени интерференционная картина максимумов и минимумов освещенности. Условия когерентности: ,

Волновая теория Гюйгенса-Френеля. Электромагнитная теория Максвелла

Радужные цвета тонких пленок. Просветление оптики. Интерферометры. Метрология. Контроль качества полированных и шлифованных поверхностей

Дифракция света

Огибание светом препятствий, отклонение от прямолинейного распространения. Условие наблюдения: . В лабораторных условиях

Волновая теория Гюйгенса-Френеля. Электромагнитная теория Максвелла

Гало. Дифракционная решетка как спектральный прибор. Голография

Дисперсия света

 

Аномальная дисперсия

Зависимость скорости света в веществе от частоты волны. Зависимость показателя преломления от частоты световой волны. Резонансное поглощение света

Электронная теория Лоренца

Радуга. Спектроскоп. Спектральный анализ

Поляризация света

Выделение из естественного света свободных колебаний с определенным направлением электрического вектора

Электромагнитная теория Максвелла. Теория анизотропических свойств кристаллов

Поляроиды. Поляриметры – определение концентрации сахара, органических кислот в растворах

Эффект Доплера

Изменение воспринимаемой частоты колебаний, обусловленное относительным движением наблюдателя и источника световых волн

Электромагнитная теория Максвелла. Специальная теория относительности

Определение величины и направления скорости планет и звезд в астрономии, автомобилей и самолетов

Эффект Черенкова-Вавилова

Излучение света электронами, движущимися со скоростью, превышающей скорость света в среде

Волновая теория Гюйгенса-Френеля. Электромагнитная теория Максвелла

Счетчики Черенкова. Определение скорости заряженных частиц в ядерной физике

 

Таблица. 2.6. Квантовая оптика

Явление

Определение

Основные закономерности

Теория, объясняющая явление

Использование явления в технике

Тепловое излучение абсолютно черного тела

Явление излучения энергии нагретыми телами

Закон Стефана Больцмана

Закон смещения Вина

Распределение энергии излучения по длинам волн

Квантовая гипотеза Планка

Доказательство квантовой природы света при его излучении

Фотоэффект (внешний)

Явление вырывания связанных электронов из твердых и жидких тел под действием света

 интенсивности света  определяется

Красная граница фотоэффекта

Безинерционность фотоэффекта

Уравнение Эйнштейна

Доказательство квантовой природы света при его поглощении

 

Фотоэлементы

Люминесценция

Излучение световой энергии при облучении вещества видимым светом, рентгеновским или -излучением

Правило Стокса

Антистоксовое свечение

Учет энергии фотонов

Лампы дневного света. Экраны телевизоров, осциллографов, ЭЛТ-мониторов. Анализ состава вещества

Химические действия света

Возникновение или ускорение химических реакций под действием света

Граница фотохимических реакций

 

Теория цепных реакций

(Н.Н. Семенов)

Фотосинтез

 

Фотография

Световое давление

Возникновение светового давления на вещество

Опыты Лебедева. Формула Максвелла

 

Учет импульса фотонов

Отклонение кометных хвостов от Солнца

Эффект Комптона

Рассеяние рентгеновского излучения свободными электронами

Уравнение Комптона-Дебая

Доказательство существования фотонов и наличия у них энергии и импульса

Флуктуация фотонов

Систематические отклонения от среднего значения числа фотонов

Опыт Боте

 

Опыт Иоффе-Добронравова

Формула Эйнштейна для флуктуации плотности энергии излучения абсолютного черного тела и светового давления

Доказательство квантовой природы света при его распространении

 

 

 

 

Квантово – полевая картина мира

Формируется на основе:

квантовой гипотезы М.Планка (1858 – 1947),

корпускулярно –волнового дуализма Луи де Бройля,

волновой механики Э Шредингера (1887 – 1961);

квантовой механики В.Гейзенберга (191 – 1976);

квантовой теории атома Н. Бора (1885 -1962)

Характерные особенности

В  рамках квантово-полевой картины мира сложились квантово-полевые представления о материи:

Материя обладает корпускулярно-волновыми свойствами, то есть каждый элемент материи имеет свойства волны и частицы.

Движение – частный случай физического взаимодействия. Фундаментальные физические взаимодействия: сильное, электромагнитное, слабое. Гравитационное. Они описываются на основе принципа близкодействия: взаимодействия передаются от точки к точке. Скорость передачи взаимодействия конечна и не превышает скорости света.

Картина физической реальности в квантовой механике двупланова: с одной стороны, в нее входят характеристики исследуемого объекта; с другой стороны – условия (наблюдения), от которых зависит определенность этих характеристик.

Спецификой квантово-полевых представлений о закономерностях и причинности является то, что они выступают в вероятностной форме, в виде статистических законов.

При описании объектов используются две категории понятий: пространственно-временные и энергетически-импульсные. Первые дают кинематическую картину движения, вторые – динамическую (причинную). Пространство - время и причинность относительны и взаимозависимы

Фундаментальные положения квантовой теории: принцип неопределенности и принцип дополнительности

 

 

Таблица. 2.7. Эволюция взглядов на физическую картину мира (ФКМ)

Физическая картина мира (ФКМ)

Примерное время существования

Ученые, внесшие наибольший вклад в развитие ФКМ

Основные законы, теории, принципы

Механическая

XVI – XVIII вв.

Демокрит, Галилей, Декарт, Ньютон

Принцип относительности; законы динамики; закон всемирного тяготения; законы сохранения

Электродинамическая

XIX – начало XX века

Фарадей, Максвелл, Эйнштейн

Закон Кулона; закон электромагнитной индукции; уравнения Максвелла; специальная теория относительности

Квантово-полевая

Начало XX – середина XX в.

Планк, Эйнштейн, Бор, Резерфорд, де Бройль, Гейзенберг, Шредингер

Гипотеза Планка; идеи Эйнштейна; постулаты Бора; корпускулярно-волновой дуализм

 

Закономерность – объективно существующая, необходимая, существенная, повторяющаяся связь явлений.

Универсальные законы мироздания выражаются в фундаментальных закономерностях. Фундаментальная закономерность определяет совокупность законов, которая характеризует атрибутивные процессы развития самой природы. Установление таких закономерностей – задача науки.

Закон выражает общие, необходимые, существенные, относительно устойчивые, повторяющиеся связи реального мира, которые при наличии соответствующих условий определяют характер, направление и результат развития. Все законы природы находятся во взаимосвязи. Законы природы являются  проекциями нашего восприятия на причину и следствие.

Законы выступают как определенная сторона закономерности. А закономерность – как совокупный результат действия законов.

Известны три основных вида законов природы:

·              специфические или частные (законы динамики, закон Ома);

·              общие - объясняющие обширный круг явлений, изучаемые различными науками о природе (законы сохранения, закон возрастания энтропии);

·              всеобщие или универсальные законы бытия, они характерны для всех явлений и объектов природы и общества (законы диалектики – законы единства и борьбы противоположностей, перехода количественных изменений в качественные, закон совмещенности свойств).


Часть II. Концепции физических наук

Глава 3. Материальное единство мира

3.1 ПРИРОДА И МАТЕРИЯ. Свойства материи

Ничто создаваться не может из ничего, и все то,

 что родилось, в ничто обращаться не может.

Тит Лукреций «О природе веществ». 1 в. до н.э

 

Мир, в котором мы живем, состоит из разномасштабных открытых систем, развитие которых протекает по единому алгоритму. В основе этого алгоритма заложена присущая материи способность к самоорганизации, протекающей в критических точках развития.

Предполагается, что развивающаяся Вселенная – это самая крупная из известных человечеству самоорганизующихся систем

Естественнонаучная картина Мира   включает представления  о материи,  движении,   взаимодействии,  пространстве и времени (рис. 3.1).

 

Рис. 3.1. Структура понятия «Естественнонаучная картина мира»

Единство Вселенной проявляется в  следующем:

1. Дискретность (прерывистость) в строении природы, существующих в ней различных, ограниченных друг от друга тел, систем и явлений.

2. Иерархия отношений между объектами разной сложности и организованности,  она заключается во включении менее сложных систем в более сложные и высокоорганизованные.

3. Несводимость закономерностей происходящих в сложных системах, к закономерностям простых систем.

4. Динамичность свойств и отношений,  приводящих  к скачкообразным изменениям.

 

Понятие «материи» на протяжении истории человеческого мышления неоднократно претерпевало изменения.

Современное естествознание принимает материю как основу всего существующего. Мир, в котором мы живем и частью которого являемся – это материальный мир. Он состоит их отдельных предметов и процессов, которые превращаются друг в друга, возникают и исчезают, отражаются в нашем сознании, существуя независимо от него. Для материи предполагается бесконечное развитие и неисчерпаемость, а также определенная очень сложная структура.

Понятие природы одно из самых широких понятий, оно охватывает по сути всю Вселенную и близко к понятию материи. Природа – это материя, взятая во всем многообразии форм.

Основным методом естествознания является эксперимент. Этот метод да возможность изучить строение материи, познать ее фундаментальные черты, которые сохраняются при всех видимых изменениях.

 


3.2  Свойства материи

Любая малая былинка

Отлична от своей сестры.

Неповторимы и росинка

И дерева, и комары

Иеромонах Роман

 

Материя обладает множеством свойств, среди которых выделяют три главные: масса, энергия и информация (таблица 3.1). Они позволяют количественно представить различные объекты.

Таблица 3.1. Свойства материи

Масса

 1) одна из основных физических характеристик материи;

 2) положительная скалярная величина,  являющаяся количественной мерой инертных и гравитационных свойств материи.

3) согласно выводам специальной теории относительности, масса является также  мерой энергии тел.

Энергия

1) скалярная физическая величина;

2) общая количественная мера движения и взаимодействия всех видов материи;

3) является однозначной функцией состояния объекта.

 4) согласно закону сохранения энергии энергия в природе не возникает из ничего и не исчезает, она только переходит из одной формы в другую;

5)  понятие энергии связывает воедино все явления природы;

6) в рамках СТО законы сохранения массы и материи слиты воедино

Информация

1) мера порядка, который противостоит хаосу:

2) мера сложности системы;

3) характеристика внутреннего разнообразия системы;

4)  мера вероятностного выбора одной из возможных траекторий того или иного процесса;

5) представляет меру неоднородности распределения энергии и вещества в пространстве и во времени;

6) выражает свойство материи, которое является всеобщим и связано с наиболее общими представлениями о движении как изменении;

7) существует множество видов специфического проявления информации;

8)  наиболее существенным признаком информации является отражение и разнообразие, то информация является свойством материи.

9)  отраженная в сознании человека может быть субъективной, выражаться в чувственных образах и в формах научного познания;

10) может быть объективной и субъективной;

11) не является лишь сведениями, сообщениями, продуктом и формой духовной действительности;

12)  выходит за границы результатов деятельности человека, это такое же свойство материи как движение и отражение;

13)  существует постольку, поскольку существуют материальные тела, и, следовательно, созданные ими неоднородности.

В научном плане понятие информации охватывает как те сведения, которыми люди обмениваются между собой, так и сведения, существующие независимо от людей.

Информация выступает как свойство материальных объектов и процессов порождать, передавать и сохранять многообразие состояний, которые посредством той или иной формы отражения могут быть переданы от одного объекта к другому.

Отсюда количество информации в зависимости от уровня процесса отражения связывается с мерами упорядоченности, организованности, структурности,  смежности материальных объектов, процессов и систем в их взаимодействии между собой.

Основные виды и функции информации классифицируются по следующим признакам:

 1) по видам отражения;

2) по классам отражения;

3) по видам отражения и по классам разнообразия одновременно.

Выделяется информация:

субъективная (актуальная);

 объективная (потенциальная);

 в неживой природе;

 живой природе;

 обществе.

 

Из неуничтожимости материи вытекает 2 фундаментальных закона природы:

1.  Закон сохранения массы:

В замкнутой системе масса всех тел,  входящих в систему, сохраняется

                                  (3.1)

2. Закон сохранения энергии:

Во всех явлениях происходящих в природе, энергия не исчезает и не возникает вновь, она только переходит из одной формы в другую, причём в равных количествах.

                                   (3.2)

В рамках теории относительности законы сохранения массы и энергии слиты воедино.


3.3. ДВИЖЕНИЕ МАТЕРИИ

Материя не может существовать вне движения, оно абсолютно, как абсолютна материя. Способом существования материи является движение. Без  материи нет движения, без движения не может быть материи.

Под движением материи понимают любые взаимодействия, а также  любое изменение состояний объектов, которые вызваны этими взаимодействиями.

Под покоем понимают те состояния движения, которые обеспечивают стабильность предмета, сохранение его качеств. Поэтому покой относителен, а движение абсолютно, оно необходимо материи.

Формы движения материи разбивают на три блока соответственно  трем этапам развития материи и трем возникшим сферам материального мира:

·              мир неживой природы – взаимосвязь физических и химических форм движения, 

·              мир живой природы – биологическая и

·              общество – социальная форма движения.

Низшие формы движения – механическая, физическая, химическая; высшие формы движения  – биологическая и социальная.

Каждая высшая форма генетически связана с низшей, поскольку на каждом этапе эволюции Вселенной возникали новые уровни организации материи и новые формы движения. Существует тесная взаимозависимость между различными уровнями организации материи, каждая высшая форма генетически связана с низшей. На разных ступенях эволюции Вселенной возникают все новые и новые уровни организации материи и соответствующие им формы движения.

Сразу после Большого взрыва 15 млрд. лет назад не было ни молекул, ни атомов, а, следовательно, форм движения присущих этим формам организации материи. Химическая и молекулярно-физическая форма движения возникли на определенном этапе эволюции Вселенной. На определенном этапе космической эволюции, когда сформировались звезды, планеты, планетные системы возникли условия для образования сложных органических молекул – носителей жизни, сложились предпосылки для возникновения биологической формы движения. В этом смысле жизнь важно рассматривать не как планетарное, а как космическое явление, она возникла только на определенной стадии развития Метагалактики, в определенном очень узком временном диапазоне, пройдя длительный этап эволюции живая природа породила разум, социально – организованную материю, когда на базе биологической формы возникла социальная.

Развитие — это особый вид изменения, являющийся необратимым и обязательно включающим в себя качественные преобразования.

Развитие характеризуется:

1) направленностью:

2) поступательностью;

3) преемственностью; 

4) моментами повторяемости;

5) отрицанием старого и появлением нового.

 


3.4. Структурные уровни организации материи

Нет во Вселенной повторений!

Нет одинаковых явлений!

Песчинок равозначных нет!

Кругом царит разнообразье:

Во всем, во всем неповторимость,

Во всем, во  всем неизмеримость!

Иеромонах Роман

 

Материальное понимание процессов развития обусловлено бурным развитием естественных наук.

Материя не есть нечто единообразное и однокачественное. Она существует в форме бесчисленно разнообразных тел, вещей, качественно и количественно отличающихся друг от друга.

Границы современного знания о материи простираются от масштабов порядка 10-15 м (размеры нуклона) до 1026 м или 15 млрд. св. лет (размеры наблюдаемой Вселенной).

Во всем исследованном диапазоне материя повсюду обладает системной организацией.

Любой объект материального мира имеет сложную системную организацию.

Например: Макроскопическое тело можно рассматривать как определенную организацию молекул. Любая молекула также является сложной системой и состоит из атомов. Атом представляет системное  целое и состоит из ядра и электронных оболочек. Ядра атомов являются сложными кванто – механическими системами и состоят их нуклонов – протонов и нейтронов. Нуклоны представляют собой сложные образования,  в них можно выделить специфические структуры – кварки,  которые взаимодействуют, обмениваясь  частицами – глюонами.

В живой природе также существует системная организация. Сложными системами являются как клетка, так и построенные из клеток организмы. Целостную систему представляет биосфера, существующая благодаря взаимодействию своих частей: микроорганизмов, растительности, животного мира, человека. Все виды материи связаны между собой генетически,  то есть каждый из них развивается из другого.

Материальные системы всегда взаимодействуют с внешним окружением. Любой объект материального мира уникален и не тождественен другому. При всей уникальности и непохожести объектов,  определенные группы обладают общими признаками строения.

В современной науке в основе о строении материального мира лежит системный подход, согласно которому любой объект материального мира, будь то атом, планета, организм, биосфера или галактика как сложное образование, включающее в себя составные части, организованные в целостность. Для обозначения целостности объектов в науке выработано понятие системы

Система представляет собой совокупность элементов и связей между ними.

Понятие элемент означает минимальный, далее уже неделимый компонент в рамках системы. Элемент является таковым лишь по отношению к данной системе. В других же отношениях он может представлять сложную систему.

Совокупность связей между элементами образует структуру системы. Устойчивые связи элементов определяют упорядоченность системы. Между элементами системы существует два типа связи:

- по «горизонтали» – эта связи координации между однопорядковыми элементами; они носят коррелирующий характер, ни одна часть системы не может измениться без того, чтобы не изменились части;

- по «вертикали» - это связи субординации, то есть соподчинения элементов, они выражают сложное внутреннее устройство системы, где одни части по своей значимости могут уступать другим и подчиняться. Вертикальная структура включает в себя уровни организации системы, а также их иерархию

Целостность системы означает, что все ее составные части, соединяясь вместе, образуют уникальное целое, обладающее новыми интегративными свойствами.

Наличие общих признаков организации позволяет объединить их в классы материальных систем. Эти классы называют уровнями организации материи или видами материи.

Физические системы, из которых состоит Вселенная, разнообразны и сложны, однако фундаментальные законы, управляющие столь несходными объектами, как атомы и звезды, поняты, и большинство  систем можно писать единым образом. Возможность объединения проявлений природы в рамках единой теории связана с тем. что фундаментальные законы физики одновременно просты и всеобъемлющи большинство явлений природы обусловлены универсальностью физических законов.

Если детальные свойства физических систем можно установить только путем сложного физического анализа, то их общие свойства определяются из нескольких фундаментальных соображений.

Строение материи  представляют  как определенную иерархию уровней. Во всем изученном  диапазоне (от 10-18м – область локализации электрона до 1026 м –  границы наблюдаемой Вселенной) материя обладает структурной организацией.

По степени сложности выделяют 3 уровня организации материи:

·            неживая природа;

·            живая природа;

·            общество.

Закономерности высших уровней развития материи включают в себя закономерности низших уровней, но не сводятся к ним. Каждая ступень иерархической лестницы связана с другой вполне закономерным образом.

Все многообразие явлений природы обусловлено четырьмя типами фундаментальных взаимодействий. Структура нашего мира определяется законами, которые определяют движение тел.

В природе все взаимосвязано, поэтому можно выделить также системы, которые включают в себя элементы как живой, так и неживой природы – биогеоценозы.

Мир, в котором мы живем, состоит из разномасштабных открытых систем, развитие которых подчиняется определенным закономерностям

 

 

Характерные размеры основных микроскопических структур во Вселенной приведены в таблице 3.2.

 


3.5. Взаимосвязь пространства – времени

Наименьшие структуры, предсказываемые современной физикой связаны с планковскими величинами (длиной  и временем ) При таких малых масштабах эксперименты невозможны. Теория квантовой гравитации утверждает, что в масштабах планковских величин могут проявляться сильные флуктуации кривизны пространства – времени. Пространство - время в планковскую эпоху имеет сходство с губкообразной или пенистой структурой.

Другой подход заключается в том, что пространство – время, в каком – то смысле, состоят из плотно упакованных черных дыр массой  планковского размера

Каждая из этих картин – лишь упрощенное схематическое изображение абстрактных представлений квантовой теории гравитации, разработка которой еще не завершена.

В настоящее время различают четыре уровня элементарных основ вещества: элементарных частиц, нуклонный (ядерный), атомный и молекулярный. Обсуждается вопрос пятого уровня. Каждый вновь открываемый уровень отличается от ранее известного, его характеризуют иные свойства и иные законы поведения соответствующих частиц.

Абсолютной элементарности не существует. Частица любого уровня сложна в своих сущностях и в своих проявлениях, она неотделима от других физических реальностей, в числе которых особая роль принадлежит вакууму.

Характеристики элементарных частиц были рассмотрены в предыдущей теме. Рассмотрим следующий уровень – атомное ядро и составляющие его частицы – нуклоны.


3.6. Уровни организации неживой материи

И лиловея и дробясь,

Чтоб уверяло там сиянье,

Что где-то есть не наша связь,

А лучезарное слиянье

И. н. Анненский

 

Характер физических законов существенно зависит от масштаба исследуемых явлений, поэтому принято говорить о трех уровнях организации неживой материи: микро, макро-  и мегамире (рис. 3.2).

Мегамир - мир больших космических масштабов и скоростей. Пространство измеряется в астрономических единицах, световых годах и парсеках. Время измеряется в миллионах и миллиардах лет.

Макромир – мир макрообъектов, размерность которых соотносима с масштабами жизни на Земле. Пространство измеряется в миллиметрах, сантиметрах, метрах и километрах. Время измеряется в секундах, минутах, часах и годах.

Микромир - мир предельно-малых масштабов (r<10-6 = 1мкм.) Пространственные характеристики измеряются в пределах 10-6 - 10-18 м. Границы измерения времени:

На этих уровнях действуют свои специфические закономерности, но  они теснейшим образом взаимосвязаны.

В таблице 3.2 приведены основные структурные единицы, из которых состоит  наблюдаемая Вселенная. Характерная время соответствует минимальной длительности в течение которой система передает заметную часть информации или подвержена значительному изменению структуры. Для звезд дается среднее время жизни, для других гравитационно-связанных систем время, за которое система коллапсирует, для атомов приведен период обращения электрона, для Вселенной – ее  возраст

Рис. 3.2. Структурные уровни организации материи

Таблица 3.2. Схема структурных уровней организации неживой материи.

 

 

Уровень

 

Система

Размер м

 

Признак структуры

Масса

Кг

Характерные времена, с

 

 

 

 

Мегамир

Метагалактика

(Космос) –взаимодействующая и развивающаяся система

Наблюдаемая Вселенная

1026

Однородность и изотропность, гравитация

1053

1018

Скопление галактик

1023

Наибольшая известная структура, гравитация

1043

1017

Галактики – совокупность звездных скоплений

1021

Ядра и спиральные рукава

Гравитация

1041

1016

Звездное скопление

1035

Связаны гравитацией

1035

1015

Планетные системы (звезды и планеты)

1011

Связаны гравитацией

1030

108

 

 

 

 

Макромир

Звезды

109

Термоядерные реакции

1030

107

Планеты. Спутники планет

106 – 107

Преобладание гравитации

1024

104

Астероиды

103 -105

Гравитация

1012 -1013

-

Кометы

 

Преобладание гравитации

 

 

Макротела: твердые. Жидкие, газообразные

10-5 -104

Преобладание электромагнитных взаимодействий

 

 

 

 

 

 

 

Микромир

Молекулы

10-10-

10 -5

Электромагнитные взаимодействия Соединение атомов

10-27-

10-23

10-3

Атомы

10-10

Ядра и электроны. Электромагнитное взаимодействие

10-27-

10-25

10-16

Ядра

10-15-10-14

Объединение нуклонов в сильном взаимодействии

10-27

10-23

Нуклоны (протоны, нейтроны)

10-15

Объединение кварков в сильном взаимодействии

10-27

10–24

Кварки, лептоны

<10-18

Элементарные бесструктурные частицы

?

<10-26

Квантовая гравитация

10-35

Пенистая структура пространства- времени

10-8

10-43

 


3.7. структура микромира

Структура ядра

Атомное ядро представляет центральную часть атома м, в которой сосредоточена практически вся масса атома и весь его положительный заряд.

Ядро атома состоит из элементарных частиц, протонов и нейтронов, называемых нуклонами (лат  -ядро). Нуклоны состоят из кварков.

 

Таблица 3.3. Нуклоны

Обозначение

Кварковый состав

Заряд

0

Масса покоя 

 

Символ элемента - , где -  зарядовое число равно числу протонов в ядре. Совпадает с порядковым номером элемента в Периодической системе элементов Менделеева;  – массовое число, равно числу нуклонов (протонов и нейтронов) в ядре;  - количество нейтронов в ядре. Например;  

Заряд ядра положителен и равен . В ядре нуклоны связаны ядерными силами,  которые на расстояниях м превышают любые другие силы, вследствие чего одноименно заряженные протоны не разлетаются под воздействием электростатического отталкивания. Ядерные силы являются короткодействующими и проявляют свойство насыщения, то есть нуклоны взаимодействуют с ближайшими соседями.  Переносчиками взаимодействий являются массивные частицы -мезоны: . Причина этого состоит в том, что -мезоны, как и нуклоны посторены из кварков

В ядерной физики различают:

изотопы – ядра с одинаковым числом протонов, но разным количеством нуклонов А;

изобары – ядра с одинаковым числом нуклонов А, но разным числом протонов ;

изотоны – ядра с одинаковым числом нейтронов , но разным числом  нуклонов А;

 

Структура атома

 

Атом представляет собой единую кванто-механическую систему, состоящую из положительно заряженного ядра и отрицательно заряженной электронного облака

Атомы состоят из протонов и нейтроны (известных под общим названием нуклонов) и одного члена семейство лептонов – электрона.

Размеры атомов порядка м. Положительный заряд ядра  равен сумме отрицательных зарядов электронов, находящихся в электронной оболочке атома. Поэтому атом в целом электронейтрален. Электроны на своих орбитах удерживаются силами электростатического притяжения между ними и ядром. Каждый из электронов обладает определенным запасом энергии: чем дальше электрон находится от ядра. тем большим запасом энергии он обладает. Энергия связи электронов с томом имеет значение порядка 10-18 Дж.

Электроны в атоме, являясь фермионами, согласно запрету  Пали не могут находиться в одинаковых состояниях. Поэтому в электронной оболочке электроны располагаются слоями. Каждый электронный уровень содержит определенное количество электронов. Начиная со второго уровня, электронные оболочки расчленяются на подуровни:

Таблица 10.1

 Слой

Обозначение слоя

Число  электронов

Первый

К

2

Второй

8

Третий

М

18

Четвертый

32

Пятый

О

50

 

Атомы являются первичной частицей материального мира, именно с них начинается его самоорганизация – сначала в молекулы, затем в конкретно осязаемые предметы, растения и живые существа. Атом – мельчайшая частица вещества, сохраняющая все свойства присущие данному химическому элементу

Атомы обладают  двумя важными свойствами. Которые по существу определяют последующую самоорганизацию природы:

- атомы имеют способность химически соединяться друг с другом в молекулы веществ, количество разновидностей которого неизмеримо больше. Чем количество разновидностей атомов;

- атомы и образованные из них молекулы постоянно находятся в движении.

 

Молекулярный уровень

 

Молекула – это наименьшая структурная единица вещества, обладающая его главными химическими свойствами и состоящая из атомов, соединенных между собой химическими связями. По современным представлениям химическая связь является результатом движения электронов внешних (валентных) оболочек атомов в пространстве  между ядрами взаимодействующих атомов. Атомы связаны в молекулы за счет неполной компенсации электромагнитных сил, связывающих электроны с ядрами. Эти межатомные силы являются короткодействующими, поэтому молекулы, состоящие из малого количества атомов сравнимы по размерам с самими атомами. Межатомные расстояния значительно превышают размеры атомов. Энергия межатомные связи гораздо слабее внутриатомных связей электронов с ядром:   

Одноатомные молекулы – атомы инертных газов ()

Двухатомные молекулы – молекулы, состоящие из двух атомов

Молекулы простых веществ состоят из одинаковых атомов

Молекулы сложных веществ состоят из разных атомов

Макромолекулы – молекулы, состоящие из тысячи и более одинаковых иди близких построению групп атомов (белки, липиды, нуклеиновые кислоты искусственные полимеры, некоторые витамины, целлюлоза).

 


3.8. Макроструктуры. Строение макросистем

Фазовое состояние вещества определяется температурой. Вещество может находиться в трех агрегатных состояниях: твердом, жидком и газообразном.

Когда большое число атомов упаковано вместе, межатомные силы сравнимы со связями валентных электронов с ядром. Жесткость обычных веществ обусловлена электронами

Плотность вещества определяется равновесием  электромагнитных и гравитационных сил.

Учение о строении и свойствах вещества, основанное на представлениях о молекулах и атомах  называется молекулярно-кинетической теорией

В основе молекулярно-кинетических представлений о строении и свойствах макросистем лежат три положения;

- вещество состоит из большого количества атомов;

- атомы и молекулы  вещества находятся в хаотическом движении, в результате чего они имеют различные скорости; интенсивность движения зависит от температуры вещества

- между атомами и молекулами действуют силы взаимного притяжения и взаимного отталкивания (на расстояниях порядка 10-9 м преобладают силы притяжения, на расстояниях порядка 10-10 м – силы отталкивания), имеющие электромагнитную природу

 

 

Агрегатное состояние

Газы

Жидкости

Твердые тела

Занимают весь объем сосуда

Не имеют определенного объема и формы

Легко сжимаются под действие внешнего давления

Молекулы находятся в состоянии непрерывного и хаотического движения. Силы межмолекулярного взаимодействия малы

Имеют определенный объем, но не имеют формы.

Наблюдается ближний порядок – упорядоченное относительное расположение соседних частиц

Молекулы совершают хаотические колебания возле положения равновесия, а затем совершают перемещения в виде скачков

Физические свойства одинаковы по всем направлениям – изотропность

Отличаются постоянством формы и объема.

 Силы взаимного притяжения между частицами велики по сравнению с этими силами в газе.

Частица не может удаляться от своих соседей на большое расстояние.

Тепловое движение – хаотическое колебание частиц возле положения равновесия узлов кристаллической решетки

Имеют упорядоченное, повторяющееся в пространстве расположение частиц – кристаллическое строение.

 


Глава 4.  ПРОСТРАНСТВО И ВРЕМЯ

4.1. Понятия пространства и времени

А «вечность» была не чем иным, как избавлением времени. неким возвратом

его к невинности,  неким обратным превращением его в пространство

Генрих Гесс «Степной волк»

 

Пространство и время важнейшие компоненты мировосприятия. Они охватывают структурную организованность и изменчивость материи. Это две формы бытия материи, вне этих форм материи не существует, но и само  пространство и время не существуют в отрыве от материи.

 

Пространство

Время

Пространство выражает порядок расположения отдельных предметов.

 

Время определяет порядок смены явлений

Свойства пространства:

 1) трёхмерность – каждая точка пространства однозначно определяется набором из трех координат;

2) однородность - равноправие всех точек; все точки пространства обладают одинаковыми свойствами, – нет выделенных точек пространства; параллельный перенос не изменяет вид законов природы;

3) непрерывность – между двумя различными точками в пространстве, как близко бы они не расположены, всегда есть третья;

3) изотропность - равноправие всех направлений; все направления в пространстве обладают одинаковыми свойствами. – нет выделенных направлений и поворот на любой угол сохраняет неизменными законы природы;

4) евклидовость – описывается геометрией Евклида. Согласно теории относительности Эйнштейна, при наличии в пространстве тяготеющих масс пространство искривляется, становится неевклидовым.

.Свойства времени:

1) одномерность;

2) однородность - равноправие всех моментов времени; любые события, происходящие  в одних и тех же условиях, но в разные моменты времени, протекают одинаково, по одним и тем же законам;

3) непрерывность – между двумя моментами времени, как близко они не расположены, всегда можно выделить третий;

4) необратимость или однонаправленность - существование стрелы времени, это свойство времени можно рассматривать как следствие второго закона термодинамики или закона возрастания энтропии.

 

Представления о пространстве и понятия пространства являются результатам активного взаимодействия человека с внешним миром.

Представления о времени и понятие времени имеет смысл потому, что мир находится в состоянии движения и развития.

В настоящее время понятие времени расширено и  имеет следующие трактовки:

 

Время

1

Параметр движения в механике

2

Связано с необратимостью, в термодинамике

3

Жизненный цикл в биологии

4

Историческое (хронологическое,  календарное) в социологии

5

Атомарное время в ядерной физике

6

Космологическое  в астрономии

7

Историческое в геологии и палеонтологии

 

Понятие времени образуется благодаря сопоставлению различных процессов движения. Для произведения отсчета времени мы пользуемся квазипериодическим, то есть повторяющимся в основных чертах процессах, которые выбираются за эталон (вращение земли вокруг собственной оси – сутки,  вращение Земли вокруг Солнца – год).

 


4.2. Современные  ПРЕДСТАВЛЕНИя О ПРОСТРАНСТВЕ И ВРЕМЕНИ

Я знаю – время растяжимо,

Оно зависит от того.

Какого рода содержимым

Вы наполняете его

М.Я. Маршак

 

В науке исторически сложилось две концепции в понимании пространства и времени.

 

Субстанциальная концепция:

 

Реляционная концепция:

 

Основатель -  Демокрит, Эпикур

Развитие получила в  работах Р. Декарта, в механике Г. Галилея и И.Ньютона (XVII век)

Основатель – Аристотель,

Развитие получила в работах  Лейбница (XVII век) и Эйнштейна  (XX век).

Пространство и время - нечто самостоятельно существующее, наряду с материей.

Пространство — пустое вместилище, чистая протяжённость. Пространство однородно, неподвижно,  во всех точках обладает одинаковыми свойствами. Тела, находясь в пространстве и двигаясь в нем, не взаимодействуют с ним.

Время — чистая длительность. Реальные процессы не взаимодействую с абсолютным временем.

Пространство и время существуют  независимо от движущейся материи и  друг от  друга.

Пространство и время – особые отношения между объектами и процессами, и вне их не существуют..

Пространство выражает сосуществование объектов.

Время определяет последовательность состояний объектов.

 

Субстанциальная концепция нашла полное воплощение в классической механике Ньютона, основой которой являются 3 закона динамики, описывающей движение макроскопических тел со скоростями 

 

Реляционная концепция лежит в основе теории относительности, созданной А.Эйнштейном.

Теория относительности (ТО) включает в себя

специальную теорию относительности (СТО), которая говорит, которая описывает  движение макроскопических объектов со скоростями близкими к скорости света () и  устанавливает влияние на течение времени и свойства пространства изменения скорости;

общую теорию относительности (ОТО) – теория гравитации, которая говорит о влиянии на ход времени и свойства пространства распределения гравитационных масс.

 


4.3. Понятия абсолютного пространства и абсолютного времени у Ньютона.
Механическая картина мира

Помимо закона тяготения

Найти общий строй времени.

Яровчатых солнечных гусель. –

Основную мелкую ячейку времени и всю сеть.

В.Хлебников

 

В 1687 году вышел в свет труд Исаака Ньютона «Математические начала натуральной философии», содержащий основные понятия и аксиоматику механики, в частности три основных ее закона и закон всемирного тяготения для макроскопических тел при

Ньютон в своих работах подчеркивал, что само по себе движение имеет относительный характер. При этом система отсчета либо должна покоиться, либо двигаться равномерно и прямолинейно по отношению к абсолютному пространству.

Понятие силы вводится Ньютоном в качестве абсолютного элемента. Масса является индивидуальной характеристикой тела по отношению к нетождественному ему пустому пространству. Понятия силы и массы у Ньютона – надпространственные понятия.

Введение абсолютного времени, то есть времени,  не зависящего от скорости движения, основывается на постулате о мгновенном распространении взаимодействий, что явилось основой построения Ньютоном теории тяготения.

Под системой отсчета понимают тело отсчета, относительно которого рассматривается движение, связанная с телом система координат (например декартова система координат) и заданный способ определения времени.

В качестве первого закона динамики Ньютон взял принцип инерции Галилея

Существуют системы отсчета относительно которых всякое тело сохраняет состояние покоя или равномерного и прямолинейного движения при отсутствии внешних воздействий со стороны других  тел.

Инерциальными системами отсчета (ИСО) являются системы отсчета, в которых выполняется принцип инерции. ИСО - это системы отсчета, связанные с поступательно движущимися телами, на которые не действуют внешние силы, они движутся относительно друг друга прямолинейно с постоянной скоростью (первый закон Ньютона).

Принцип относительности Галилея утверждает, что во всех инерциальных системах отсчета все механические явления происходят одинаково, то есть все инерциальные системы отсчета  эквиваленты

Отсюда как следствие вытекает, что  временные интервалы, длительность событий, линейные размеры тел и их массы одинаковы  во всех ИСО.

Второй закон Ньютона устанавливает:

Ускорение,  приобретаемое телом, прямо пропорционально приложенной силе и обратно пропорционально массе:

Третий закон Ньютона утверждает:

Два тела взаимодействуют друг с другом силами равными по величине и направленными вдоль одной прямой в противоположные стороны:

В классической механике предполагается, что воздействие на объект является контролируемым и может быть оценено с позиций жесткой причинно-следственной обусловленности результатов воздействия. Установлена взаимосвязь свойств пространства с законами сохранения физических величин:

закон сохранения импульса связан с однородностью пространства;

закон сохранения энергии – с однородностью времени;

закон сохранения момента импульса - с изотропностью пространства.

 


4.4. специальная теория относительности (СТО)

Но сатана не долго ждал реванша;

Пришел Эйнштейн – и стало все как раньше.

Юмор студентов- физиков

В 1904 г. Х. Лоренц вывел  преобразования пространственных координат и  времени в самом общем виде и получил следующие немыслимые с точки зрения обыденных представлений парадоксы.

Рис. 4.1.С точки зрения пассажира, свет достигает обеих стенок вагона одновременно

Рис. 4.2. С точки зрения дежурного по станции, свет достигает передней стенки вагона позднее, чем задней

Линейные размеры тел, движущихся вместе с системой отсчета К1 относительно неподвижной системы отсчета К сокращаются.  Релятивистское (лоренцово)  сокращение длины при определяется уравнением (рис. 2.2):

;

где  соответственно,  линейные размеры тела в неподвижной и  движущейся системах отсчёта, vcкорость движения  подвижной системы отсчета К1.относительно неподвижной К.

Рис.4.3. Релятивистское «сжатие» скорого поезда

Длительность событий в подвижной и неподвижной системах отсчета разная. Длительность временного интервала в  системе отсчета К1 относительно, которой тело покоится равно :

где - длительность события  системе отсчета К,  относительно которой тело движется.

Длительность события в системе отсчета, относительно которой тело неподвижно, называется собственным временем. Собственное время   минимально. Это говорит о том, что относительно системы К интервал времени оказывается наибольшим (Рис. 2.3).

Рис. 4.4.

Из преобразований Лоренца следовало, что пространственные и временные интервалы оказываются неинвариантными при переходе из одной системы отсчета к другой. Возникла ситуация, в которой потребовалось выяснить причины этого.

Это было сделано А. Эйнтштейном в 1905 году в работе «Электродинамика движущихся сред». В основу теории относительности легли два постулата: 

Принцип  относительности: все законы природы протекают одинаково во всех инерциальных системах отсчета - утверждает неизменность  (инвариантность) физических законов при переходе от одной ИСО к другой. В ИСО все физические, химические и биологически процессы протекают по одним и тем же законам.

Принцип  постоянства (инвариантности)  скорости света: скорость света в вакууме одинакова во всех ИСО  (), не зависит от скорости движения источников и приемников света является предельной в природе (рис. 2.4).

Рис. 4.5. Относительная скорость двух тел, движущихся навстречу друг другу со скоростью света, равна с, а не 2с.

Эйнштейн математически вывел лоренцово сокращение линейных размеров движущихся тел следствием которого является эффект замедления времени.

СТО установила зависимость пространственно- временных характеристик объектов от скорости их движения относительно определенных систем отсчета и объединила пространство и время в единый пространственно-временной континуум.

В реальном физическом мире пространственные и временные характеристики меняются при переходе от одной системы отсчета к другой. В природе существует единое пространство-время, а отдельно пространство и время выступают как своеобразные проекции, на которые они расщепляются в зависимости от характера движения объекта. При  сокращении  пространственного интервала,  увеличивается  временной интервал  и наоборот.

Герман Минковский, исходя из положения, что пространство и время – понятия, неотделимые друг от друга, использовал представление о четырехмерном пространственно - временном континууме, в котором время по своему месту в физических уравнениях эквивалентно трем пространственным координатам (Рис. 4.6).

Рис. 4.6. Пространственно-временной мир по Минковскому

Двум соседним точкам в четырехмерном пространстве – времени ставится в соответствие численная мера, называемая мировым интервалом и выражаемая уравнением:

 .

Если обозначить пространственный интервал:

,

то мировой интервал можно записать уравнением.

Именно мировой интервал является инвариантом, то есть не зависит от выбора системы отсчета. Каждый наблюдатель, находящийся в своей системе отсчета, по своему, отделяет пространство и время из четырехмерного пространственно-временного мира, но мировой интервал остается для каждого из них неизменным. Расщепление на пространство и время происходит по  разному, при различных скоростях движения, но так, что пространственно-временной интервал всегда сохраняется.  Объективность пространственно-временного события не зависит от того, из какой системы отсчета и с какой скоростью двигался наблюдатель. Пространственные и временные свойства объектов порознь оказываются изменчивыми при изменении скорости движения объективно пространственно-временные интервалы остаются неизменными.

Изменение пространственных и временных интервалов зависит от характера движения, следовательно, пространство и время являются состояниями движущееся материи. Они таковы, какова движущаяся материя. 

СТО установливает зависимость массы тела от скорости движения:

;

  — масса покоя.

СТО устанавливает связь между массой и энергией. Каждой массе соответствует энергия — каждой энергии соответствует масса:

 

Всякий процесс идущий с выделением энергии связан с потерей массы и наоборот. Приобретая энергию, тело одновременно приобретает массу.

СТО переходит в классическую механику в предельном случае (при ).

 


4.5.  Идеи  общей теории относительности (теории гравитации)

Галилеем был установлен закон,  согласно которому все тела падают при отсутствии сопротивления среды с одинаковым ускорением. Это является следствием равенства инертной и гравитационной массы.

. В 1908 г. Эйнтштейн доказал, что каждому количеству энергии в гравитационном поле соответствует энергия,  по величине равная энергии инертной массы

 

Откуда последовал   вывод о том,  что  этот закон выполняется не только для инертной,  но и для гравитационной массы, то есть устанавливает факт равенства гравитационной и инертной массы.

В основу общей теории гравитации (1916 г) Эйнштейном был положен принцип тождественности сил инерции и гравитации

Теория тяготения Эйнштейна привела к представлениям о мире, отличном от плоского евклидова пространства,  для которого сумма углов в треугольнике всегда равна 1800. Это мир – с кривизной пространственно – временного континуума. Теория неевклидовой дифференциальной геометрии была развита в Работах Лобачевского и Римана.

Общая теория относительности (ОТО)  показала, что гравитационное поле может интерпретироваться как следствие искривления пространства. Эта современная  теория гравитации  доказала зависимость свойств пространства - времени от движущейся материи, в частности от концентрации и движения материальных масс. ОТО вскрыла зависимость метрических характеристик пространства и времени от распределения гравитационных масс, наличие которых приводит к искривлению пространственно- временного континуума.

В ОТО от характера распределения массы зависят фундаментальные свойства пространства: конечность и бесконечность, которые обнаружили свою относительность. В ОТО  установлено, что вблизи больших масс происходит искривление пространства, т.е. отклонение от евклидовой геометрии и замедление хода времени.

Рис. 4.7. Сокращение длины покоящегося стержня  в гравитационном поле Земли (эффект сильно преувеличен)

Общий вывод: Теория относительности (ТО) доказала, что пространство, время, материя и движение органично сплавлены между собой.

 


4.6 Теория супергравитации о свойствах пространства-времени

Пространство-время в нашем  мире имеет четыре измерения. Три измерения   характеризуют пространство и одно — время. Трехмерность пространства и одномерность времени являются опытным фактом.

В 20 веке выяснилось, что многообразие видов материи в нашей Вселенной тесно связано с размерностью пространства-времени.

 Современная теория супергравитации, связывающая между собой все виды фундаментальных взаимодействий, рассматривает их как расщепления единого глубинного взаимодействия, в котором они первоначально были неразличимы. В модели мира, устанавливаемой этой теорией, делается предположение, что при рождении Вселенной   предполагает,  пространственно-временной континуум  был десятимерным. В дальнейшем, четыре измерения приобрели макроскопических статус, а остальные оказались свёрнутыми в глубинах микромира. Их можно обнаружить, только проникнув в эти области.

Не исключено, что развитие материи порождает наряду с нашей Метагалактикой  множество различных миров,  которые характеризуются другими размерностями пространства – времени. В этих мирах может принципиально отсутствовать условия для возникновения известных нам форм материи. Но, возможно, возникают неизвестные в нашей Метагалактике материальные структуры.

Современные космологические представления допускают,  что Большая Вселенная может существовать из множества миров, аналогичных нашей Метагалактике. В этих мирах могут существовать принципиально иные форм пространства и времени.


4.7. Выводы

Материя

Основные  виды материи

Основные свойства  материи

Способ существования материи

Основные формы существования материи

Вещество

Поле

Объективность

Всеобшность

Неуничтожимость

Неисчерпаемость

Движение

 

Пространство

Время

Развитие концепций движения в естественных науках

Развитие концепций пространства и времени в естественных науках

Единство пространства и времени выражается в совместном изменении их характеристик в зависимости от концентрации материальных масс и их движения

Материальное единство мира

Движение – любое изменение вообще, независимо от характера, направления и результатов

Развиитие – особый вид изменения, являющийся необратимым и обязательно включающий в себя качественные преобразования

Основные формы движения:

Механическая

Физическая

Химическая

Биологическая

Социальная

Развитие характеризуется

Направленностью

Поступательностью

Преемственностью

Моментами повторяемости

Отрицанием старого и появлением нового

Развитие есть процесс

 


Глава 5. ЗАКОНЫ СОХРАНЕНИЯ И ФУНДАМЕНТАЛЬНЫЕ СИММЕТРИИ

5.1. Роль элементов симметрии и асимметрии в процессах развития

Симметрия – понятие, отображающее существующий в объективной действительности порядок, определенное равновесное состояние, относительную устойчивость, пропорциональность и соразмерность между составными частями целого.

Рис. 5.1. Простая двусторонняя симметрия (а); пирамида с осью симметрии шестого порядка (б)

 

 

Асимметрия – понятие, противоположно симметрии, отражающее существующее в объективном мире нарушение порядка, равновесия, относительной устойчивости, пропорциональности и соразмерности между составными частями целого,  связанное с изменением, развитием и организационной перестройкой.

 

Формы симметрии и асимметрии

Геометрическая форма – симметрии, выражающие свойства пространства и времени:

однородность пространства;

однородность  времени;

изотропность пространства;

пространственная четность;

эквивалентность инерциальных систем отсчета и т. д.

Динамическая форма – симметрии выражающие свойства физических взаимодействий;

симметрии электрической заряда;

симметрии спина;

симметрии изотопического спина;

 «странность» и т. д.

Геометрические асимметрии:

- неоднородность пространства и времени

- анизотропность пространства и т. д.

Динамические асимметрии:

различие между протонами и нейтронами в электромагнитных взаимодействиях;

различие между частицами и античастицами по электрическому барионному, лептонному зарядам и т. д.

 

Понятие симметрии и асимметрии тесно связаны с понятиями устойчивости и изменчивости, порядка и беспорядка, организации и дезорганизации. Понимание их роли способствует проникновению  в диалектику процессов развития.

Свойства симметрии проявляются в кристаллофизике, в характеристиках элементарных частиц и их взаимодействий. Идеи симметрии реализуются в объединенной теории электромагнитных и слабых взаимодействий. При этом установлено, что законы симметрии при определенных условиях приводят  к  асимметрии в физических явлениях.

До недавнего времени симметрии отводилось ведущее место, а асимметрии подчиненное, второстепенное. Теперь интерес к явлениям  асимметрии существенно возрос. С ним оказались неразрывно связаны неравновесные процессы, объясняющие  возникновение диссипативных структур при переходе от неживого к живому (абиогегенез). Так И. Пригожин описал процессы самоорганизации через нарушение симметрии в точках бифуркации.

В. И Вернадский за двадцать лет до того, как физики задумались об отсутствии симметрии в микромире, писал, что пространство -  время неоднородно и что явления симметрии могут проявляться только в ограниченных участках. Крупным вкладом в познание Вселенной является концепция галионной асимметрии Вселенной А. Д. Сахарова. Сама природа и неживая (вспомним изящество кристаллических решеток) и живая (геометрия пчелиных сот, веер  лепестков ромашки), на первый взгляд,  предпочитают симметричные законы строения. Однако при более детальном рассмотрении здесь выявляется асимметричность, и ее особая роль в процессах организации.

Взаимосвязь симметрии и асимметрии является основой при исследовании человеческого мозга, одной из ведущих тем конца XX – начала XXI века. Ученые обнаружили в левом и правом полушариях два непохожих друг на друга, даже полярных типа мышления. Так, если функционирует лишь левое полушарие,  то человек проявляет двигательную активность и много говорит, он шутит, смеется, быстро реагирует, но его действия бесцветны, лишены живых человеческих интонаций, то есть не опираются на память прошлых восприятий. Поэтому человек не узнает привычные звуки, мелодии. При функционировании лишь правого полушария человек, напротив, речь воспринимает с трудом, но зато обладает хорошей памятью, быстро распознает образы, рисунки, легко ориентируется в ситуации.

По гипотезе отечественных исследователей Н. Брагиной и Т. Доброхотовой. Левое и правое полушария мозга обращены в разные времена. В частности, правое полушарие связано с настоящим и прошлым, обеспечивает накопление и сохранение информации.  Взаимодополняемость, сотрудничество обоих полушарий обеспечивают управление жизнедеятельностью организма. 


5.2 Принципы современной физики (симметрия, асимметрия и фундаментальные законы)

Наш житейский опыт показывает, что явления природы не зависят от того в какой области пространства мы находимся,  в каком направлении и в какой момент времени  мы наблюдаем эти явления. Законы сохранения энергии, импульса и момента импульса выделяются своей всеобщностью, то есть высшей степенью фундаментальности. Это обусловлено свойствами симметрии пространства и времени

Своим происхождением законы сохранения обязаны свойствам симметрии природы. Эти свойства выражаются в неизменном виде физических законов,  то есть их инвариантности при некоторых преобразованиях, которые называют преобразованиями фундаментальной симметрии. Опытные факты свидетельствуют, что законы сохранения обусловлены симметрией пространства и времени.

Это выражается в том, что физические законы не изменяют своего вида, т.е. являются инвариантными при некоторых преобразованиях, которые называются «преобразованиями фундаментальной симметрии».

Фундаментом материи являются элементарные частицы, современные представления о которых дает квантовой механика на основе современных представлений о пространстве и времени. Исходным положением квантовой механики является вывод о том, что каждому преобразованию фундаментальной симметрии соответствует закон сохранения определенной физической величины (теорема Эмми Нетер).

Указанная связь законов сохранения с фундаментальной симметрией существует и  в классической механике.


5.3. Однородность пространства и закон сохранения импульса

Однородность пространства означает, что все точки пространства эквивалентны. Это проявляется в том, что явление,  произошедшее в одной области пространства,  повторится без изменений в другой области, если в новое место перенести все факторы обуславливающие данное явление. Например, два одинаковых лазера, выведенные на один и тот же режим работы в Москве и Санкт_- Петербурге  будут давать одно и тоже излучение.

Однородность пространства, то есть симметрия по отношению к сдвигу начала координат,  приводит к закону сохранения импульса:

Полный импульс замкнутой (изолированной) системы тел остаётся неизменным:

,

где  - соответственно, масса, скорость и импульс   -того тела системы.

Рис. 5.2. К закону сохранения импульса. Дальность падения шара обратно пропорциональная его массе

Замкнутой системой называется система тел, взаимодействующих только между собой и не взаимодействующих с окружающими телами.

 

19.1

Центральное и абсолютно упругое столкновение шаров с одинаковой массой. После столкновения налетающий шар останавливается.

19.2

Центральное и абсолютно упругое столкновение шара с большей массой и покоящегося шара с меньшей массой. Шары продолжают двигаться в одном направлении.

19.3

Центральное и абсолютно упругое столкновение шара с меньшей массой и покоящегося шара с большей массой. Шары разлетаются в разные стороны.

19.4

Передача импульса вдоль цепочки абсолютно упругих шаров с одинаковой массой. Лишь последний шар продолжает движение. 

19.5

Центральное столкновение шаров.

19.9.

Нецентральное и абсолютно упругое столкновение шаров с одинаковой массой. После удара шары разлетаются под углом к первоначальному движению.

19.10

Нецентральное столкновение и рассеяние лёгких частиц на тяжёлых частицах.


5.4 Закон сохранения энергии и однородность времени

Однородность времени проявляется в физической эквивалентности разных моментов времени  и это означает, что все процессы будут протекать одинаковым образом независимо от того, когда они начались, если соблюдаются одинаковые условия. Это означает, что все моменты времени физически эквивалентны.

Однородность времени,  то есть симметрия по отношению к сдвигу начала отсчета времени приводит к закону сохранения энергии:

Во всех явлениях происходящих в природе энергия не исчезает и не возникает вновь, она только переходит из одного вида в другой,  причем в равных количествах.

Пример6 Полная механическая энергия замкнутой системы в поле тяготения  остается постоянной:

где    

- соответственно, кинетическая  и потенциальная энергия тела

 


5.5. Закон сохранения момента импульса и изотропность пространства

Изотропность пространства означает, что все направления пространства физически эквивалентны. Это приводит к тому, что в повёрнутой в пространстве установке, все процессы протекают так же, как и до поворота, если повороту подвергаются все факторы определяющие процесс.

Изотропность пространства, то есть симметрия по отношению к поворотам координатных осей   приводит к закону сохранения момента импульса:

Момент импульса замкнутой системы тел остается неизменным:

.Момент импульса тела относительно оси вращения  равен  произведению  момента инерции на угловую скорость:

,

 где

 

:

Рис. 5.4.

При поступательном движении мерой инертности является  масса.

 При вращательном движении мерой инертности тела является момент инерции,   Инертные свойства  вращающегося тела определяются  его  массой  и её расположения относительно оси вращения.

В качестве примера: Момент инерции шара равен

.

где   - масса и радиус;

 


5.6. Законы сохранения - основные законы природы

Три фундаментальных  закона природы – законы сохранения энергии, импульса и момента импульса выполняются только в инерциальных системах отсчета.

Законы сохранения ценны своей общностью. Они одинаково применимы  в микро-, макро- и мегамирах  (10-18÷1026м), как  к планетам, звездам так и к молекулам, атомам и элементарным частицам. Ими можно пользоваться при исследованиях любых физических, химических и биологических процессов. Это единственные законы, которые остаются неизменными при замене старых теорий новыми.

Именно универсальный характер законов сохранения придает им особенную ценность

 


5.7. Законы сохранения как принципы запрета

Законы сохранения не дают прямых указаний на то, как должен идти тот или иной процесс. Они говорят лишь о том, какие процессы запрещены и потому в природе не происходят.

Законы сохранения проявляются как принципами запрета: любое явление при котором не выполняется хотя бы один из законов сохранения запрещено, и в природе не наблюдается

Всякое явление, при котором не нарушается ни один из законов сохранения,  в принципе может происходить. Совместное действие нескольких законов сохранения часто почти однозначно определяет возможных ход процессов.


Глава 6. ЗАКОНЫ ТЕРМОДИНАМИКИ

Законы термодинамики описывают превращение энергии и направление процессов происходящих в природе

 

6.1. Первый  закон термодинамики

В XIX веке  французским химиком А. Лавуазье был открыт закон сохранения материи. Спустя сто лет Ю.Р. Майер, Г. И. Гесс. Дж Джоуль, Г.Гельмгольц доказали экспериментально и обосновали теоретически, что сумма всех видов энергии изолированной системы – величина постоянная, то есть энергия не уничтожается и не создается (закон сохранения э превращения энергии).

Энергия существует в разнообразных формах: механическая (кинетическая и потенциальная), внутренняя, энергия электромагнитного поля, световая, ядерная, химическая и т.д.. Несмотря на наличие разнообразных форм движения материи и ее вечные преобразования, общее ее количество остается неизменным, если мы рассматриваем замкнутую систему, изолированную от окружающих тел.

  Закон сохранения энергии устанавливает:

 Любые изменения в замкнутой системе оставляют ее общую энергию постоянной или при всех макроскопических процессах энергия не создается и не исчезает. А лишь переходит из одной формы в другую.

В теории относительности А. Эйнштейн установил неразрывную связь массы и энергии, всякая энергия представляет собой некоторую массу. Таким образом, закон сохранения энергии объединился с законом сохранения массы:

Приложение этого закона к тепловым процессам объясняется первым законом термодинамики и имеет следующие формулировки:

Невозможен вечный двигатель  первого рода.

 Количество теплоты, подведенное к  системе, расходуется на изменение ее внутренней энергии и на совершение работы против внешних сил:

.

Были получены экспериментальные зависимости перехода массы различного топлива в тепловую энергию.

Закон сохранения энергии утверждает, что в неживой и живой природе невозможны процессы, в которых энергия исчезает или рождается.

 


6.2. Второй закон термодинамики

Следующим важным этапом в развитии термодинамики было открытие второго закона термодинамики. В обоснование этого закона внесли существенный вклад С.Карно, Р. Клаузиус,  Л. Больцман, М. Планк, У. Томсон, В. Оствальд.

2-ой закон термодинамики  устанавливает, что всякий раз, когда энергия переходит из одной формы в другую, она утрачивает часть своей способности производить работу, превращается в бесполезное тепло.

В 1852 веке Клаузиусом при описании работы тепловых двигателей было введена функция состояния системы – энтропия (греч.  - превращение, поворот):

 S=

 

Энтропия является мерой рассеивания энергии в замкнутой термодинамической системе или мерой обесценивания энергии.

Связь между энтропией и вероятностью была установлена немецким физиком Больцманом и выражается знаменитой формулой, носящей имя этого  ученого:

где - постоянная Больцмана, - термодинамическая вероятность.

Проникновение методов теории информации в физику, биологию и другие области естествознания показало тесную взаимосвязь понятия  информации с естественнонаучным понятием энтропии. Понятие энтропии стало играть важную роль, определяя многие закономерности поведения макроскопических систем.

В 30-е года XX столетия энтропия стала мерой вероятности информационных систем и явилась основой теории вероятности (работы Л. Сцилларда, К. Шеннона).

Существенно, что Больцман, связав второй закон термодинамики с теорией вероятности, показал, что убывание энтропии не является невозможным, а только маловероятным.

Второй закон термодинамики является константацией того факта, что информация теряется различными способами, что ведет к увеличению энтропии системы..Для  приобретения новой информацию и уменьшения энтропии следует произвести новые измерения, то есть затратить энергию:

Рис. 6.1

«>» - неравновесный процесс;

 «=» - равновесный процесс

 

 

В энергетически изолированной (замкнутой в тепловом и механическом отношении) системе энтропия либо остается постоянной  (случае обратимых и равновесных процессов), либо растет (при неравновесных процессах).


6.3. ДЕГРАДАЦИЯ ЭНЕРГИИ И ЗАКОН ВОЗРАСТАНИЯ ЭНТРОПИИ

«Все сущее идет к уничтожению»

 В. Гете «Фауст»

 

Но далеко не все процессы, в которых энергия сохраняется, и которые тем самым не запрещены законом сохранения энергии, реализуются в действительности

Рассмотрим пример: Энергия электрического тока нагревает воду в чайнике до кипения. С точки зрения закона сохранения возможен и обратный процесс: кипяток в чайнике сам собой породит, электрический ток. Однако в отличие от прямого процесса   обратный переход не происходит.

Таким образом, одного лишь сохранения количества энергии недостаточно для того, чтобы судить о возможности процесса. Энергию следует характеризовать не только количеством, но и качеством. При этом существенно, что энергия данного качества сама собой может превращаться только в энергию более низкого качества.

 Качество энергии определяется   по ее способности превращаться в другие виды энергии. Располагая энергию  в порядке уменьшения ценности,  получим:

- электрическая и механическая энергии способны полностью превращаться во все виды;

-химическая  энергия занимает промежуточное положение из-за наличия тепловых явлений, сопровождающих химические реакции.

- внутренняя (тепловая) энергия имеет самую низшую ценность.

Возникновение теплоты при движении (а). Ракетка, движущаяся навстречу теннисному мячу, при соударении повышает его кинетическую энергию

Потеря энергии при расширении (б). Ракетка, движущаяся от мяча, при соударении уменьшает его кинетическую энергию

 

Рис. 6.2.

Рис. 6.3. Скорый поезд нагревает окружающую среду. Весь запас механической энергии превращается в тепло.

Величиной, определяющей качество энергии, является энтропия. Процессы в природе протекают так, что энтропия возрастает, а качество энергии понижается. Энтропия является показателем термодинамической некачественности энергии.  

Таким образом, второй закон термодинамики - закон возрастания энтропии приводит к постепенной деградации энергии, которая проявляется к последовательному переходу на более низкий уровень. Во всякой замкнутой системе при  любых процессах, энергия спускается с более высокого уровня на более низкий, то есть энтропия системы проявляет тенденцию к возрастанию. Поэтому 2-ой закон термодинамики называется законом деградации энергии

Рис. 6.4. Модель роста энтропии в процессе смешивания. Элементы энтропии холодной воды при температуре  (1); элементы энтропии горячей воды при  (2); полная энтропия смеси (3); температура смеси составляет  (4). Увеличение энтропии равно .

Система способная производить работу (сжатая пружина, поднятый груз, заряженная батарея), должна рассматриваться как источник убывания энтропии.

 


6.4. Эволюция представлений об энтропии

На рубеже второй половины 20 века в работах Э. Шредингера понятие энтропии еще более расширилось – до понимания ее как меры дезорганизации систем любой природы

Эта мера простирается от максимального значения энтропии S=1, то есть хаоса, полной неопределенности, до исчезновения энтропии S=0, соответствующего высшему уровню организации, порядка.

Таблица

Эволюция представлений об энтропии

Энтропия

Мера рассеяния тепловой энергии в замкнутой термодинамической системе (Клаузиус)

Мера вероятности пребывания системы в данном состоянии

(1852 г. Больцман)

Мера вероятности информационных систем

(Сциллард, 1929 г.)

Мера отрицательной информации  (Бриллюэн)

Мера дезорганизации систем любой природы

(Э. Шредингер, 1944 г,. Н. Винер)

 

С помощью энтропии стало возможным количественно оценить такие понятия как хаос и порядок. Информация и энтропия связаны потому, что они характеризуют реальную действительность с точки зрения упорядоченности и хаоса, причем если энтропия S является количественной мерой  беспорядка и хаоса  систем, то информация является мерой упорядоченности: одно равно другому, взятому с обратным  знаком.

Например: если на предприятии низка трудовая и технологическая дисциплина, то можно утверждать, что здесь низок уровень организации, велика энтропия. Она угрожающе растет ныне в нашей экономике и социальной жизни

Рис. 6.5. Количественное взаимоотношение энтропии  и информации

Рис.6.6

Альтернативность и взаимосвязь понятий энтропии и информации нашли отражение в на рис.     и в   формуле:

Энтропия и информация служат выражением двух противоположных тенденций в развитии системы. Если система эволюционирует в направление упорядоченности, то ее энтропия уменьшается. Но это требует целенаправленных усилий внесения информации, то есть управления.

« Мы плывем вверх по течению, борясь с огромным потоком дезорганизованности, которая в соответствии со 2-м законом термодинамики стремится свести все к тепловой смерти -  всеобщему равновесию и одинаковости, то есть энтропии. – пишет создатель кибернетики Н. Винер – В мире энтропия в целом стремится к возрастанию, существуют местные временные островки уменьшения энтропии, Это области прогресса, механизм их возникновения состоит в естественном ил целенаправленном отборе устойчивых форм. Человек всю жизнь борется с энтропией, гася ее извлечением из окружающей среды отрицательной энтропии – информации». 

Количество информации и энтропия у Н. Винера являются фундаментальными характеристиками явлений природы.

Введение понятия энтропии в теорию информации явилось, по выражению Луи де Бройля, «наиболее важной и красивой из идей, высказанных кибернетикой», и рассматривается как большой вклад XX века в научную мысль. Это положение называется вторым  «краеугольным камнем кибернетики». Отсюда толкование кибернетики как теории организации борьбы с мировым хаосом, с роковым возрастанием энтропии.

Современная теория информации имеет много общего с разделом физики – статистической термодинамикой.

Любая добавочная информация уменьшает энтропию системы. Ценность добавочной информации, полученной в данный момент времени убывает, ибо система, предоставленная самой себе, естественно переходит в более устойчивое состояние с большей энтропией.  Таково нормальное развитие всех  процессов, однако, в них можно вмешаться, внеся дополнительную информацию и тем самым,  предотвратить ее разрушение. 

Энтропию образно  называют «функцией дьявола»,  поскольку в природе все со временем разрушается . 

 


Глава 7.  ФУНДАМЕНТАЛЬНЫЕ ЗАКОНЫ ЕСТЕСТВОЗНАНИЯ как основания естественнонаучной картины мира

7.1 Фундаментальные закономерности естетсвознания

Рис. 7.1. Структура естественнонаучной картины мира

На рис  8. представлена структура естественнонаучной картины мира. Из нее видно, что главные элементы ЕНКМ объединены основаниями ЕНКМ, которые опираются на категории, идее и законы философии, то есть ЕНКМ представляет собой промежуточное звено между естествознанием и философией.  При этом естественнонаучные принципы играю методологическую роль, а философские идей лежат в основе развития различных картин мира.

Основания ЕНКМ - фундаментальные закономерности природы объясняют существование мира природы, его неуничтожимость, движение и развитие объектов его образующих.

Основные черты фундаментальных закономерностей:

- стационарность и непрерывность в действии; которое распространяется на каждый объект и обладают максимальная степень общности;

-. самодостаточность,  то есть объясняют все многообразие природы;

- образуют единство, детерминируемое единством материального мира.

 

Основные фундаментальные закономерности естествознания объясняют существование мира природы и к ним относятся:

- закономерность сохранения объектов материального мира;

 - закономерность повторяемости, периодичности процессов;

- закономерности направленности изменения свойств и состояний объектов.

Эти закономерности образуют неразрывное единство

Первая закономерность - сохранения состоит в сохранении вещей (атомов, молекул, кристаллов, клеток, благодаря чему проявляется дискретность материи), свойств (сохранение массы, импульса, энергии, заряда и т.д.), отношений (законы, выражающие существенные связи, сохраняются в различных системах отсчета и в разные моменты времени).

Вторая закономерность  периодичности  обуславливает условие целостности структур (периодическое движение электронов в атомах, звезд в галактиках), продолжительности, стационарности функционирования систем процессов (волновое движение, круговороты в материальных системах, ритмика в живой природе)

Третья закономерность  направленности процессов в природе выражает направление самопроизвольного изменения состояния объектов в сторону более устойчивого равновесного состояния (любое равновесие рассматривается как форма сохранения, будь то равновесие в механических, физических, химических или биологических процессах).

Все три закономерности характеризуют мир с точки зрения устойчивости, стабильности. ЕНКМ – это картина устойчивых форм, доступных наблюдению, так как неустойчивые формы столь быстро, что не замечаются. (рис 7.2)

Подпись: Второй закон термодинамикиПодпись: Принцип минимума потенциальной энергииПодпись: Закон сохранения энергииПодпись: Закон сохранения электрического зарядаПодпись: Закон сохранения массыПодпись: Периодический законПодпись: Корпускулярно-волновой дуализм


Дискретность вещества и энергии


Законы сохранения


Однородность пространства и времени


 Относительность

Рис 7.2

 

Центральной в ЕНКМ является идея сохранения, в содержании которой входит целостный комплекс законов и принципы:  относительность; однородность пространства-времени; законы сохранении энергии; электрического заряда, массы; дискретность вещества и энергии; корпускулярно-волновой дуализм (в равной мере принадлежащий и идее периодичности). 

 


7.2. Идея периодичности процессов в природе и экстремальные принципы

 

 При выявления общего в разнородных явлениях идея сохранения выступает в единстве с идее периодичности процессов в природе.

 Периодический закон своим появлением обязан идее дискретности и закону сохранения массы, а именно – представлению о том, масса частицы вместе с ее скоростью т координатой является основной характеристикой частицы вещества. Идея периодичности стала инструментом проникновения вглубь строения материи, ее свойств и уровней организации. Идея периодичности охватывает  периодический закон Менделеева; круговороты материи в системах; биологические ритмы в живой природе; закономерности колебательных движений. (рис 8.3)

Рис. 7.3. Периодичность процессов в природе (изменение солнечной активности с течение времени, энергии ионизации нейтральных атомов в зависимости от порядкового номера элемента, электрокардиограмма сердца).

Первым универсальными законами природы были объявлены экстремальные принципы, на которые опирается идея направленности процессов, эти принципы позволяют выразить устойчивость, упорядоченность природы. В природе все процессы подчиняются экстремальному принципу. Суть его состоит в том, что любое состояние системы реализуется при достижении экстремальных значений основных характеристик  (рис .8.4)

 

Рис.7.24.

 

 В механике это сводится к теореме «о минимуме потенциальной энергии» — любая система стремится перейти в состояние,  соответствующее минимуму потенциальной энергии;

в термодинамике – ко второму закону о возрастании  энтропии,

для кибернетической системы – минимуму ошибки, допущенной при выполнении приказа из центрального  управляющего устройства;

 для биологической системы – максимуму селективной целостности для данной популяции при определенных условиях окружающей среды.

Признание роль экстремальных принципов в создании ЕНКМ началось с утверждения в науке второго закона термодинамики и закона естественного отбора в биологии. С них началось утверждение   идеи эволюции в природе.

Эта идея утверждалась  в науке в двух противоположных формах: второй закон термодинамики выступал как эволюционный закон непрерывной дезорганизации (разрушения) первоначальных структур и состояний неживой природы, а закон естественного отбора обосновывал усложнение структурной организации и функционирования организмов в процессе эволюции. Оба эти закона отражают экстремальные закономерности в природе: первый выражает принцип возрастания энтропии в замкнутой системе. Второй можно сформулировать аналогично, как принцип отбора организмов и видов, максимально приспособленных к условиям среды.

Живые организмы – открытые системы, второй закон термодинамики к ним не применим в той форме, как к физическим или химическим системам. Теория самоорганизации обобщила этот закон на открытые неравновесные системы. В результате удалось доказать связь концепций эволюции в неживой и живой природе.

Для характеристики открытых систем существенной является скорость  изменения энтропии. Устойчивости таких систем соответствует условие минимальности прироста энтропии. В системах при этих условиях обнаруживаются новые структуры,  биологический обор и эволюция.

Идея направленности природных процессов служит  в настоящее время основой  обобщения знаний,  она стимулирует развитие новых областей естествознания.

Парадигмой, то есть исходной концептуальной идеей современного естествознания, выявляющего его единство,  является идея сохранения.

 Ведь именно открытие закона сохранения энергии положило начало объединению все естественных дисциплин в единую систему – естествознание. Законы сохранения  сыграли основную роль в утверждении основных понятий современной естественнонаучной картины мира.

 Идей периодичности и направленности процессов можно считать выражением двух разных аспектов идеи сохранения: периодичность. Повторяемость можно рассматривать как отражение симметрии времени, а направленность процессов их асимметрией в природе. Симметрия и асимметрия проявляются в диалектическом единстве в каждой конкретной системе.

Единство естественнонаучного знания понимается как общность научны знаний о природе, непрерывность научного знания при переходе от одной науке к другой, системность знаний о природе.

 


8.  СОВРЕМЕННЫЕ ПРЕДСТАВЛЕНИЯ О СТРУКТУРЕ МИКРОМИРА

 

8.1. Основные положения  квантовой механики

 

Современные научные представления о строении материи даёт квантовая механика. Она изучает свойства объектов,  размеры которых r<10-6м =1мкм и скорость движения  .

Представление об атомах, как мельчайших неделимых частицах возникло во времена античности. В начале XVIII века теорией атомизма занимались Лавуазье, Дальтон и М.В. Ломоносов. До конца XIX века считали, что атом наименьшая частица простого вещества — предел делимости материи. Атом в переводе с греческого означает «неделимый».

Изучение строения атома начинается с работ английского  физика Дж.  Томсона, который открыл электрон.

 Томсон пришел к следующим   заключениям:

- атомы являются делимыми, так как из них могут быть вырваны электроны;

 - электроны — это частицы одинаковой массы (me=9,1∙10-31 кг);

 - электроны несут одинаковый (отрицательный) электрический заряд (е=-1,6∙10-19Кл);

-  они одинаковы для всех атомов и являются их компонентами;

- масса электронов очень мала и равна 1/2000 массы атома ().

Модель атома  Томпсона: Атом представляет собой непрерывно заряженный положительным зарядом шар с линейными размерами , внутри которого около своих положений равновесия колеблются электроны. Суммарный отрицательный заряд электронов равен положительному заряду шара, поэтому атом нейтрален. Эта модель после опытов Э. Резерфорда по рассеянию частиц была отвергнута.

 Модель атома Резерфорда.. Дальнейшее исследование атома Резерфордом привело к созданию планетарной модели атома.

Вокруг положительно заряженного ядра с зарядомразмером 10-15 – 10-14 м и массой, практически равной массе атома, в области с линейными размерами  по замкнутым орбитам движутся электроны, образуя электронную оболочку атома. Вся масса атома сосредоточена в ядре ( — плотность ядра атома).

 

Резерфорд установил, что чем больше заряд ядра, тем сильнее отклоняются α-частицы от прямолинейного распространения через вещество.

Рис. 8.1.. К эксперименту Резерфорда

 

Это открытие Резерфорда позволило уточнить формулировку периодического  закона Д. И. Менделеева:

Химические свойства элементов находятся в периодической зависимости не от атомной массы элементов, а от электрического заряда их ядер. В соответствии с величиной заряда ядер, элементы выстраиваются в определённой последовательности.

В 1900 году Макс Планк при объяснении теплового  излучения тел высказал гипотезу, согласно которой электромагнитная энергия может излучаться и распространяться только вполне определенными для данной излучающей системы порциями или квантами

 Электромагнитные волны переносят энергию только в количествах, кратных величине кванта энергии:

   (8.1)

Величина кванта энергии пропорциональна частоте излучения или обратно пропорционально длине электромагнитной волны (формула Планка):

   (8.2)

где  -постоянная Планка,  - соответственно, частота и длина волны электромагнитного излучения,  м/с – скорость распространения электромагнитных волн в вакууме.

В 1905 году А. Эйнштейн высказал гипотезу,   что распространение и поглощение электромагнитных волн веществом также происходит в виде отдельных дискретных квантов  - фотонов, энергия которых определяется формулой Планка.

Фотон как и любая частица характеризуется энергией, импульсом и массой.

Энергия фотона может быть определена  по формуле Эйнштейна, связывающей энергию и массу:

  (8.3)

Фотон – элементарная частица, которая движется со скоростью с и имеет массу покоя

Импульс фотона равен:

  (8.4)

Масса фотона равна

  (8.5)

Было установлено, что каждому газу присущ свой линейчатый спектр, состоящий из отдельных спектральных линий или группы близко расположенных линий.

Серии в спектре простейшего атома  - атома водорода описывает обобщенная формула Бальмера – Ридберга:

(8.6)

где  - частота спектральных линий в спектре водорода; - постоянная Ридберга, определяет серию; определяет отдельные линии соответствующей серии.

 

Спектральные серии атома водорода

 

Область спектра

Название серии

Формула

Квантовые числа

Ультрафиолетовая

Лаймана

2, 3, 4…

Видимая

Бальмера

3, 4, 5…

Инфракрасная

Пашена

4, 5, 6…

Брэкета

5, 6, 7…

Пфунда

6, 7, 8…

Хэмфри

7, 8, 9…

 

Эти формулы подобраны эмпирически, подтверждены экспериментально, но не имели теоретического обоснования.

 Вид формул, повторяемость в них целых чисел, универсальность постоянной Ридберга наводят на мысль о глубоком физическом смысле этих закономерностей, не объясняемых в рамках классической физики.

Постулаты Бора. Планетарная модель атома Резерфорда не позволила объяснить устойчивость атома. Ускоренное движение электрона согласно теории Максвелла сопровождается электромагнитным излучением, поэтому энергия электрона уменьшается, и он движется по спирали, приближаясь к атому. Электрон должен упасть на ядро (расчет показывает. что это должно произойти за 10-8 с), так кА при движении по спирали уменьшается энергия электрона.  В действительности атомы являются устойчивыми системами.

Датский физик Нильс Бор связал в единое целое эмпирические закономерности линейчатых спектров, ядерную модель Резерфорда и квантовый характер излучения и поглощения света

Нильсом Бором были сформулированы два постулата:

В атоме существуют стационарные (не изменяющиеся со временем) состояния, в которых он не излучает энергию. Стационарным состояниям атома соответствуют стационарные орбиты,  по которым движутся электроны. Движение электронов по стационарным орбитам не сопровождается излучением электромагнитных волн.

При переходе электрона с одной стационарной орбиты на другую, излучается или поглощается 1 фотон с энергией равной разности энергий соответствующих стационарных состояний

Набор возможных дискретных частот

квантовых переходов определяет линейчатый спектр атома.

Таким образом, в основе квантовой механики лежат представления М. Планка о дискретном характере изменения энергии атомами. А. Эйнштейна о частицах электромагнитного излучения – фотонах, данные о квантовании некоторых физических величин (энергии, импульса), характеризующих состояние частиц микромира.

Трудности теории Бора.  Правило квантования Бора применимо не всегда. Представление об определенных орбитах, по которым движется электрон в атоме Бора, оказалось условным. Теория Бора неприменима для многоэлектронных атомов и не объясняет их спектральных закономерностей.

В 1917 г. А. Эйнштейн предсказал возможность перехода атома с высшего энергетического состояния в низшее под влиянием внешнего воздействия. Такое излучение называется вынужденным излучением и лежит в основе  работы лазеров.

Лазеры. В 1940 г. В.А.Фабрикант указал на возможность использования вынужденного излучения для усиления электромагнитных волн. Отечественные ученые Н.Г. Басов и А. М. Прохоров и независимо американец Ч.Таунс изобрели квантовый оптический генератор (1954 г) и получили Нобелевкую премию. Работа лазера основана на вынужденном излучении.  Падающий фотон с энергией  взаимодействует с атомом, находящемся в возбужденном состоянии и стимулирует его высвечивание. Возникают два фотона с энергией  каждый, которые движутся в одном направлении и в одной фазе.

Свойства лазерного  излучения:

1. Малый угол расхождения пучка света.

Исключительная монохроматичность

3. Самые мощные источники света – 1014 Вт/с (Солнце -  7.103 Вт/с)

4 КПД близко к 100%

Область применения: В настоящее время лазеры применяются

1. Медицина ( в физиотерапии, лазерные скальпели  в микрохирургии, для лечения глаз);

2. Лазерная резка и сварка металлов;

3.Оптические системы наводки в военных и локационных целях;

4. При изучении оптических явлений;

5. Лазерный термоядерный синтез и т.д

 


8.2. КОРПУСКУЛЯРНО-ВОЛНОВОЙ ДУАЛИЗМ ВЕЩЕСТВА

 

С давних пор весь мир людской

 чтит механику Ньютона.

Нет нигде того закона,

чтобы стол считать волной

Физики шутят

 

Основополагающей в квантовой механике явилась идея о том, что корпускулярно-волновой дуализм. Установленный для света имеет универсальный характер. Он должен проявляться для любых микрочастиц, обладающих импульсом р. Все частицы, имеющие импульс р, обладают волновыми свойствами. И их движение сопровождается волновыми процессами.

Гипотеза об универсальности корпускулярно-волнового дуализма была  выдвинута французским ученым Луи де Бройлем в 1923 году. Согласно де Бройлю, с каждым микрообъектом связывают. С одной стороны. корпускулярные характеристики – энергию, импульс, а с другой стороны волновые характеристики -  частоту и длину волны.

Любой частице, обладающей импульсом  соответствует волновой процесс с длиной волны:

 (1)

где h= 6,625 ∙10-34Дж∙с. - постоянная Планка

При  <<c   кинетическая энергия микрочастицы равна:

 

откуда импульс частицы равен:

Соответственно, длина волны де – Бройля равна

 (2)

 Согласно  закону сохранения энергии при движении заряженных частиц в электрическом поле приращение кинетической энергии равно работе  поля:

   .

,

 откуда импульс микрочастицы равен

Длина волны де Бройля равна:

 (3)

Экспериментальным подтверждением гипотезы де Бройля стали в 1927 году опыты американских физиков Дэвиссона и Джермера.

 Они установили, что пучок электронов, рассеянный на пространственной дифракционной решетке – кристалле никеля, - дает дифракционную картину.

Впоследствии было доказано, что волновые свойства присущи не только потоку электронов, но и каждому электрону в отдельности.

Дифракционная картина была обнаружена также для нейтронов и протонов.  За это открытие де Бройль в 1929 году, а экспериментаторы в 1937 году были награждены Нобелевскими премиями.

Экспериментальное доказательство волновых свойств микрочастиц привело к выводу о том, что корпускулярно-волновой дуализм – это универсальное явление: частицы ведут себя как волны, а волны как частицы. Это общее свойство материи, над которым мучались не только физики, но и философы. В зависимости от внешних условий микрообъекты проявляют либо свойства частиц, либо волновые свойства.

Длина волны де Бройля макроскопических тел лежит за пределами допустимой области наблюдения, она настолько мала, что обнаружить волновые свойства макроскопических тел невозможно. Помимо формулы де Бройля в  квантовой механике принимается, что между энергией частицы и частотой волн де Бройля существует связь:

Для микрочастиц существует возможность проявить себя либо как волна, либо как частица, либо промежуточным образом

 

 


8.3. Соотношение неопределённостей Гейзенберга

 

Микрочастицы обладают как корпускулярными, так и волновыми свойствами. Но приписывать им все свойства волн и все свойства частиц нельзя. Необходимо внести некоторые ограничения в применении к объектам микромира понятий классической механики.

В 1924 году Гейзенберг, учитывая волновые свойства микрочастиц, пришел к выводу, что объект микромира невозможно одновременно с любой наперед заданной точностью характеризовать координатой и импульсом.

Согласно соотношению Гейзенберга микрочастица не может иметь одновременно определенную координату  и определенные проекции импульса . Причем неопределенности этих величин удовлетворяют условиям:

:

Поскольку микрочастица не имеет одновременно точного значения координаты и соответствующей ей проекции импульса,  следовательно, она не имеет траектории движения.

Рис. 2.18

Неопределенность координаты  - разность между точным и измеренным значением. Если координата определена точно, ее неопределенность ,  следовательно,  значение проекции ее импульса  и волновые свойства определить невозможно (и наоборот):

Подобные соотношения неопределенностей существуют для ряда сопряженных физических величин.

Соотношение неопределенностей для энергии и времени существования системы (частицы)

;

 гденеопределённость энергии данного квантового состояния частицы, а — неопределённость времени пребывания системы (частицы) в данном состоянии.

Частота излучения фотона должна иметь неопределенность , то есть линии спектра должны характеризоваться частотой (). , опыт показывает, что все спектральные линии действительно размыты.

Соотношение неопределенностей для напряженности физического поля и количества частиц, порождаемых полем:

;

где ΔЕ — неопределённость напряжённости физического поля, а ΔN — неопределенность количества частиц порождаемых полем.

 


8.4. Принципы запрета в квантовой механике

 

Соотношение неопределенностей утверждает, что невозможно точно определить две спряженные физические величины. Это нельзя сделать точно также как нельзя достигнуть абсолютного нуля (третий закон термодимики),  как нельзя превысить скорость света (постулаты СТО). Принципы запрета играют в науке важную роль.

Современное исследование физики элементарных частиц показало, что единственным отражением хаоса событий в микромире являются запреты. Эта точка зрения свидетельствует о кардинальном изменении  представлений людей о законах природы.

Согласно старым представлениям,  фундаментальные законы природы были законами дозволения. Они определяли, что может и должно произойти в природе.

Согласно современной  точке зрения, наиболее фундаментальные законы носят характер запретов. Они определяют, что не может происходить в природе. Так, если в классической механике допускается измерение координаты и импульса с любой степенью точности, то соотношение неопределенностей является квантовым ограничением применимости классической механики к микрообъектам.

 


8.5. Принцип дополнительности Бора

 

Принцип дополнительности — это одна из самых глубоких идей современного естествознания.

Квантовый объект обладает двойственной природой, по этому их изучение предполагает использование двух типов приборов для изучения

- волновых свойств;

- корпускулярных свойств.

Эти свойства не совместимы в плане их совместного действия. Однако, они в равной степени характеризуют микро-частицу и поэтому не противоречат друг другу.

Принцип дополнительности  сформулирован Н. Бором в 1927 году, он состоит в следующем:

Координата и импульс,  энергия и время существования микрочастицы   являются дополняющими друг друга величинами.  При экспериментальном исследовании микрообъектов могут быть получены точные данные либо об их энергиях и импульсах (энергетически-импульсная картина), либо о поведении в пространстве и времени (пространственно-временная картина)

Эти взаимоисключающие картины не могут применяться одновременно, поскольку свойства квантовых объектов запрещают их одновременное использование. Однако эти свойства в равной мере характеризуют микрообъект,  и это предполагает, что    вместо единой картины необходимо применять две: энергетически-импульсную и пространственно-временную.

Получение экспериментальной информации об одних физических величинах описывающих один объект, неизбежно связано с потерей информации о некоторых других величинах, допустимых к первым.

Принцип дополнительности является общим принципом научного познания. Суть принципа дополнительности как общего принципа познания состоит в следующем:

Всякое явление природы не может быть определено однозначно с помощью слов естественного языка и требует для своего определения, по крайней мере, два взаимоисключающих,  дополнительных понятия

 


8.6. Принцип соответствия

 

Новая теория, претендующая на более полное описание природы и более широкое применение, чем предыдущая, должна включать в себя «старую» теорию, как предельный случай. Классическая механика является предельным случаем квантовой механики и СТО. Геометрическая оптика является предельным случаем волновой и квантовой оптики.

Суть принципа состоит в следующем: любая новая и более общая теория является развитием предыдущих классических теорий, справедливость которых экспериментально установлена, не отвергает эти теории, а включает их в себя.

Предыдущие теории сохраняют свое значение для определенных групп явлений, как предельная форма и частный случай новой теории.  Новая теория определяет границы применения предыдущих теорий, причем в определенных случаях существует возможность перехода новой теории в старую.

В квантовой механике в принципе соответствия проявляется тот факт,  что квантовые эффекты существенны лишь при рассмотрении величин, сравнимых с постоянной Планка. При рассмотрении макроскопических объектов постоянную Планка можно считать пренебрежимо малой . Это приводит к тому, что квантовые свойства рассматриваемых объектов оказываются несущественными: представления классической физики – справедливы.

Следовательно, принцип соответствия входит составной частью в любую новую теорию

Общая формулировка принципа соответствия:

«Теории, справедливость которых экспериментально установлена для определенной группы явлений, с появлением новой теории не отбрасываются, а сохраняет свое значение для прежней области явлений как предельная форма и частный случай новых теорий. Математический аппарат новой теории, содержащий некий характерный параметр,  при надлежащем его значении переходит в математический аппарат старой теории» - И.В.Кузнецов

 


8.7. Концепция целостности

 

Принципы неопределенности и дополнительности отражают фундаментальную неопределенность явлений природы.

 Квантовый объект не может быть рассмотрен сам по себе,  не обладает индивидуальными свойствами, а находится в классически определенных условиях. Квантовый объект вне целого и внутри целого ни один и тот же. Отдельный объект рассматривается лишь в отношении к чему-либо, свои свойства он проявляет по отношению к чему-либо, свои свойства он проявляет по отношению к конкретной целостности, и определяется конкретная природа его поведения

В квантовой механике постулируется концепция целостности:

Микрообъект постоянно чувствует на себе влияние целостности, элементом  которой он является

 

 


8.8. Сравнительная характеристика вещества и поля

 

Различие вещества и поля верно характеризует реальный мир в макроскопическом приближении. Это различие не является абсолютным и при переходе к микроскопически объектам явно обнаруживается его относительность. В микромире понятия частицы (вещество) и волны (поля) выступают как дополнительные  характеристики,  выражающие противоречивую сущность микрообъектов.  На макроскопическом уровне под полем понимается электромагнитное и гравтиционное поля,. а под веществом обычные тела.

Основные различия поля и вещества состоят в следующем

1. Частицы вещества обладают массой покоя, частицы электромагнитного и гравитационного полей – нет. В микромире каждому полю сопоставляется частица (квант этого поля), и каждая частица рассматривается как квант соответствующего поля. Для ядерных полей это различие уже неверно – кванты этих полей обладают конечной массой покоя.

2. Скорость распространения электромагнитного и гравитационного полей равна скорости света в вакууме, а скорость  движения частиц вещества меньше скорости света. Наличие ядерных полей ликвидирует эту границу. Для квантов этих полей характерна невозможность движения со скоростью с.

3. Вещество малопроницаемо, электромагнитные и гравитационные поля – наоборот. На уровне микромира эта граница исчезает, для нейтрино вещество оказывается проницаемым, но ядерные поля обладают малой проницаемостью.

4. Степень концентрации массы и энергии  большая у частиц вещества,  и очень малая – у электромагнитного и гравитационного полей. В микромире это различие стирается. Ядерные поля обладают огромной концентрацией массы и энергии, и даже кванты электромагнитного поля могут достигать концентрации энергии значительно превосходящих таковую у частиц вещества.

5. Корпускулярная и волновая сущности исчезают на уровне макропроцессов. Частицы вещества обладают волновыми свойствами, а непрерывное в макроскопических процессах электромагнитное поле обнаруживает на уровне микромира свой корпускулярный аспект.

 

 


9. Современные представления о строении материи

9.1. Физический вакуум

Современная физика пришла к выводам, что материя реализуется в двух взаимосвязанных формах: физический вакуум и вещество. При определённых условиях эти две формы превращаются друг в друга.

Вещество, согласно принципу корпускулярно-волнового дуализма, выступает в виде двух ипостасях – в виде реальных полей и реальных дискретных частиц. За этими двумя представлениями вещества скрыта одна и та же сущность: в одних условиях она регистрируется приборами как поле, в других как корпускулярная частица. В этом выражается дуализм вещества

Природа физического вакуума, его внутренняя структура исследована намного хуже, чем вещество.

Древнегреческий атомист Демокрит утверждал, что мир состоит из атомов и пустоты, по его представления пустота – это «существующее ничто»,  это однородное пространство, разделяющее тела, а внутри тел, отделяющее атомы друг от друга.

Современная физика рассматривает вакуум, как базовую форму материи.

Известно, что размеры атома rатома10-10м, тогда объема атома     Vатома~r3~10-30м3;

Размеры ядра  rядра10-15м, объем ядра  Vядраrядра3~10-45м3;

Следовательно  ;

то есть объем, который занимают дискретные частицы вещества, составляет Vв-ва~10-15Vвакуума от объема промежуточной среды – вакуума. Вакуум — это среда, разделяющая частицы вещества, и эта среда неотделима от вещества.

Квантовая механика, признавая атомы, вносит иной смысл в понятие среды, разделяющей дискретные частицы вещества. Эта среда, называемая физическим вакуумом, есть материальный фон, обладающий своеобразными свойствами,  пока еще недостаточно изученными. В современной физике вакуум является одним из фундаментальных представлений, без которого невозможно понять ни микромир, ни космические процессы.

Вакуум – это пространство, в котором отсутствуют реальные частицы, и выполняется условие минимум плотности энергии в данном объеме.

С точки зрения классической физики, если нет реальных частиц, то пространство пусто, в нем не может содержаться энергии, даже минимальной. Но квантовая теория, опираясь на принцип Гейзенберга,  опровергает и то и другое.

Напряженность поля  в вакууме существует в виде флуктуационных колебаний, происходящих возле нулевого значения с амплитудой, определяемой допуском принципа неопределенностей. Соответствующая этим колебаниям энергия является минимально возможной.

В соответствии с признанным дуализмом волновых и корпускулярных свойств: , колебаний полей (волны) должны порождать частицы, что находится в противоречии с определением вакуума как среды без реальных частиц.

Квантовая теория разрешает это противоречие: поле рождает пары частиц- античастиц, существующих столь короткое время, что обнаружить эти частицы невозможно. Такие частицы-«невидимки» названы виртуальными. Время их жизни определяет принцип неопределенностей . Время существования виртуальных частиц должно быть настолько малым, чтобы не успевал нарушиться закон сохранения энергии – вещества так, что появление и исчезновение виртуальных частиц остается без последствий. Косвенно в экспериментах виртуальные частицы обнаруживают себя в процессах взаимодействия вакуума с веществом

Таким образом,  «пустой» вакуум заполнен виртуальными частицами

 Вакуум – это нулевое состояние флуктуирующего поля,  с которым связаны виртуальные частицы. Свое присутствие вакуум  обнаруживает во взаимодействии с веществом на глубинных уровнях.   И в этом  взаимодействие с веществом физический вакуум обнаруживает ряд удивительных свойств.

Воздействие на вакуум больших порций энергии порождает вещественные частицы. Время жизни виртуальных частиц увеличивается, и они становятся реальными,  то есть между вакуумом и веществом возможны переходы.

В отношении объектов макромира вакуум ведет себя крайне инертно, он практически не реагирует на макротела  и излучения. Любое макротело проходит через вакуум огромные расстояния,  не изменяя ни своей энергии, ни массы, ни других регистрируемых параметров.

Вакуум  активно участвует в процессах на уровнях микромира, и во взаимодействии реальных частиц с вакуумом,  они наделяются важнейшими свойствами (например массой) и способностью взаимодействовать с другими частицами.

При взаимодействии с микромиром проявляется наличие у вакуума внутренней структуры, которая перестраивается   при изменении условий. Вакуум в зависимости от внутреннего состояния предстает в различных модификациях, а изменение модификации подобно фазовому переходу.

При фазовых переходах вакуума  происходит скачкообразное изменение его свойств (плотности энергии, характера взаимодействия с веществом), которые происходит при достижении критического состояния. Такие изменения вакуума находят отклик в формах существования вещества, процессах взаимодействия между полями и соответствующими микрочастицами.

Вакуум и вещество неотделимы и ни одна вещественная частица не может быть изолирована от вакуума,  и в  этом двуединстве вакуум является базовой формой материи.

 

 

Материя

Физический вакуум

Вещество

Нулевые флуктуирующие поля

Виртуальные частицы

Вещественные частицы

Физические поля

 

 

Для Вселенной вакуум рассматривается как внешняя среда, с которой она обменивается веществом и энергией. В таком случае Вселенная является открытой неравновесной и. следовательно, самоорганизующейся  системой.

 Движущей силой в самоорганизации Вселенной  является созидательная тенденция присущая материи. Разъединение вакуума и вещества в самом начале истории Вселенной повлекло Большой взрыв и начавшее ее развитие. Распад Единого взаимодействия завершился образованием четырех фундаментальных сил и породил  разнообразие проявление вещества, сделал возможным образование современного мира.  Механизмы, осуществляющие процесс развития, основаны на уникальных свойствах материи.

 

 


9.2 ВЕЩЕСТВО. ЭЛЕМЕНТАРНЫЕ ЧАСТИЦЫ

 

Материальная (вещественная) частица, в известном смысле, есть сконцентрированный сгусток энергии.  Вещество воспринимается наблюдателем либо как реальная частица, либо как реальное поле. За этими двумя восприятиями стоит одна сущность, которая проявляется по-разному в зависимости от условий наблюдения. В этом проявляется двойственность вещества.

 Эта двойственность вещества отображается двумя фундаментальными соотношениями:

1)      Взаимосвязь массы и энергии ().

Пример: При взаимодействии двух античастиц - электрона и позитрона происходит их взаимная аннигиляция  в результате которой возникают другие элементарные частицы или фотоны:

;

2) Формула де Бройля,    устанавливает связь массы, характеризующей реальную частицу,  с длиной волны, которая характеризует поле.

.

Элементарной частицей называется частица,   у которой на данном уровне развития науки не установлена внутренняя структура и размеры которой r < 10-15м.

 

Основные характеристики элементарных частиц:

1.  Собственная масса;

Электрон представляет собой самую легкую частицу с конечной массой . Самая тяжелая частица  тяжелее электрона в 3300 раз.

2. Среднее время жизни служит мерой стабильности частицы и выражается в секундах. Естественная единица времени элементарной частицы  примерно 10-23 с.

3. Электрический заряд  характеризует способность частицы участвовать в электромагнитном взаимодействии  и выражается в единицах элементарного заряда  (заряда электрона ).

4. Спин — собственный неуничтожимый механический момент импульса, не связанный с движением микрочастицы  в пространстве. Спин микрочастиц   квантовая величина, это внутренне неотъемлемое свойство микрочастицы, у нее нет классического аналога. Спин  неизменен для частицы и всегда имеет одно и то же значение. Спин квантуется по закону:, где  - спиновое квантовое число. Известны частицы со значением спина от 0 (многие мезоны) до 6 (мезонный резонанс). В квантовой механике спин интерпретируется как внутренняя степень свободы частицы, обеспечивающая ей дополнительные физические состояния

5. Магнитный момент. Проекция спина на направление внешнего магнитного поля квантуется по закону: , где  - магнитное спиновое квантовое число

Спином называется важнейшая характеристика элементарной частицы, связанная с её собственным механическим моментом. Спин определяет свойство и поведение частиц.

Принцип зарядового сопряжения. Для каждой элементарной вещественной частицы должна существовать античастица.

 Фундаментальное свойство элементарных частиц – их взаимопревращаемость. Для всех типов взаимодействия элементарных частиц выполняются законы сохранения энергии, импульса, момента импульса и электрических зарядов.

 


9.3. Классификация элементарных частиц

Истинно нейтральные частицы  не имеют античастиц, они не способны к аннигиляции, но испытывают взаимные превращения, являющиеся фундаментальным свойством всех элементарных частиц.  К ним относится фотон

 

Классификация элементарных частиц по основным характеристикам;

 

1. Классификация по собственной массе

 Легкие  - лептоны ( греч.  - легкий)