Лекции по КСЕ Селивановой Зухры Кадимовны (1185009), страница 4

Просмтор этого файла доступен только зарегистрированным пользователям. Но у нас супер быстрая регистрация: достаточно только электронной почты!

Текст из файла (страница 4)

Еще одна область физики не была объяснена при помощи механической модели описания природы - это электромагнитные явления. Эксперименты Макса Фарадея и теоретические работы Джеймса Клерка Максвелла окончательно разрушили представления ньютоновской физики о дискретном веществе как единственном виде материи и положили начало электромагнитной картине мира.

Явление электромагнетизма открыл датский естествоиспытатель ХансКристиан Эрстед, который впервые заметил магнитное действие электрических токов. Фарадей продолжил исследования в этом направлении и обнаружил, что временное изменение в магнитных полях создает электрический ток. Он ввел понятие «силовые линии». Фарадей, обладавший талантом экспериментатора и богатым воображением, представлял себе действие электрических сил от точки к точке в их «силовом поле». На основе своего представления о силовых линиях он предположил, что существует глубокое родство между электричеством и светом, рассматриваемого как колебания силового поля.

Фарадей пришел к выводу, что учение об электричестве и оптика взаимосвязаны и образуют единую область. Его работы стали исходным пунктом для исследований Максвелщ заслуга которого состоит в математической разработке идей Фарадея о магнетизме и электричестве. Используя высокоразвитые математические методы, Максвелл «перевел» модель силовых линий Фарадея в математическую формулу. Понятие «поле сил» первоначально складывалось как вспомогательное математическое понятие. Дж. К. Максвелл придал ему физический смысл и стал рассматривать поле как самостоятельную физическую реальность:«Электромягнитное поле — это та часть пространства, которая содержит в себе и окружает тела, находящиеся в электрическом или магнитном состоянии».

Обобщив установленные ранее экспериментальным путем законы электромагнитных явлений (Кулона, Ампера, Био-Савара) и открытое Фарадеем явление электромагнитной индукции, Максвелл чисто математическим путем вычислил систему дифференциальных уравнений, описывающих электромагнитное поле. Эта система уравнений дает в пределах своей применимости полное описание электромагнитных явлений и представляет собой столь же совершенную и логически стройную теорию, как и система ньютоновской механики.

Из уравнений следовал важнейший вывод о возможности самостоятельного существования поля, не «привязанного» к электрическим зарядам. В дифференциальных уравнениях Максвелла вихри электрического и магнитного полей определяются производными по времени не от своих, а от чужих полей: электрическое -от магнитного и, наоборот, магнитное -от электрического. Поэтому если меняется со временем магнитное поле, то существует и переменное электрическое поле, которое в свою очередь ведет к изменению магнитного поля. В результате происходит постоянное изменение векторов напряженности электрического и магнитного полей, т.е. возникает переменное электромагнитное поле, которое уже не привязано к заряду, а отрывается от него, самостоятельно существуя и распространяясь в пространстве. Вычисленная им скорость распространения электромагнитного поля оказалась равна скорости света.

В 1845 г. Фарадей предположил единую сущность света и электричества, в 1862 г. Максвелл обосновал теоретически, что световые волны представляют собой электромагнитные волны и в 1888 г. Генрих Герц экспериментально подтвердил: успешно провел отражение и интерференцию электромагнитных волн, то есть явления характерные для световых волн. Измерив длину электромагнитных волн и зная их частоту колебаний, он подсчитал скорость распространения электромагнитных волн, которая оказалась равной скорости света.

Эксперименты Герца окончательно утвердили в физике, что понятие поля - это объективно существующая физическая реальность, открыт новый вид материи.^ его экспериментах в результате искровых разрядов между двумя заряженными шарами появлялись электромагнитные волны. Когда они падали на круговой проволочный виток, то создавали в нем токи, о появлении которых свидетельствовали искры, проскакивающие через разрыв. Герц успешно провел отражение этих волн и их интерференцию, т.е. те явления, которые характерны для световых волн, а затем измерил длину электромагнитных волн. Зная частоту колебаний, он смог подсчитать скорость распространения электромагнитных волн, которая оказалась равна скорости света. Это прямо подтвердило гипотезу Максвелла.

Глобальный эволюционизм

Появление принципа глобального эволюционизма означает, что в современном естествознании утвердилось убеждение в том, что материя, Вселенная в целом и во всех ее элементах не могут существовать вне развития.

Это принципиально новый для естествознания взгляд на вещи, хотя сама идея эволюции родом из XIX в. Наиболее сильно она прозвучала, как известно, в учении Ч. Дарвина о происхождении видов. (Справедливости ради надо отметить, что Дарвину принадлежит не столько сама идея эволюции, сколько предложенный механизм ее осуществления; эволюционные же представления обсуждались и раньше.) Эта концепция легла в основу рождавшейся теоретической биологии. Эволюционное учение оказало сильнейшее влияние на умы современников Ч. Дарвина, однако перебраться через пропасть, отделявшую науки о живом от наук о неорганическом мире, в XIX в. оно так и не сумело, ограничив свое действие растительным и животным миром. Пожалуй, лишь в социологии была сделана попытка прямого переноса дарвиновских идей Г. Спенсером. Но

это уже было уже за пределами естествознания. Классические же фундаментальные науки, составлявшие основу ньютоновской картины мира, остались совершенно не за­тронутыми ни буквой, ни духом эволюционного учения. Вселенная в целом представлялась равновесной и неизменяемой. А поскольку время ее существования бесконечно, то вполне вероятен шанс появления в результате случайных локальных возмущений наблюдаемых неравновесных образований с заметной организацией своих структур (галактик, планетных систем...)

Точно таким же «противоестественным» явлением, или артефактом (лат. айе — искусственно + &с1ик — сделанный), выглядело появление жизни на нашей планете. И по всему выходило, что такого рода «отклонения» в существовании Вселенной — явления временные и со всем остальным космосом никак не связанные. Таков был довольно грустный итог естественно-научной картины мира в XIX в.

В нашем веке все радикально поменялось. Первую крупную брешь в антиэволюционном настрое классической физики пробило в начале 20-х гг. открытие расширения Вселенной, или иначе — ее нестационарности. Но если Вселенная расширяет­ся, галактики разбегаются друг от друга, то встает вопрос о силах, сообщивших галактикам начальную скорость и необходимую для этого энергию. Современное (конца XX в.) естествознание считает, что оно может ответить на этот вопрос. Таким ответом является теория Большого взрыва, воспроизводящая процессы зарождения нашей Вселенной из некоего исходного состояния с последующей эволюции, приводящей в конечном счете к ныне наблюдаемому ее облику. Эта теория более или менее прочно утвердилась в естествознании в 70-е гг., хотя сама идея была предложена еще в 40-е годы.

Не вдаваясь в детали (они будут изложены в следующих главах), подчеркнем радикальное обновление наших представлений об устройстве мироздания: Вселенная нестационарна, она имела начало во времени, следовательно, она исторична, т.е. эволюционирует во времени. И эту 20-миллиардолетнюю эволюцию в принципе можно реконструировать!

Таким образом, идея эволюции прорвалась в физику и космологию. Но не только в них. В последние десятилетия благосклонное отношение к эволюционным представлениям начала проявлять и химия.

До сей поры проблема «происхождения видов» вещества химиков не волновала. Однако ситуация изменилась, когда концепция Большого взрыва указала на историческую последовательность появления во Вселенной различных элементов. Ведь в первые мгновения жизни Вселенной в ней было так горячо, что ни один из компонентов вещества (атомы, молекулы) не мог существовать. Лишь в конце первых трех минут образовалось небольшое количество ядерного материала (ядер водорода и гелия), а первые «нормальные», целые атомы легких элементов возникли через несколько сотен тысяч лет после взрыва. Звезды первого поколения начинали жизнь с ограниченным набором легких элементов, из которых в результате самопроизвольного синтеза и образовалось впоследствии все разнообразие таблицы Менделеева. Так что в ней, возможно, зафиксирована не только структурная упорядоченность химических элементов, но и реальная история их появления.

Еще более любопытная картина обнаруживается при наложении идеи эволюции на процесс образования сложных молекулярных соединений. Привычная нам дарвиновская эволюция показывает непрерывное нарастание сложности организации растительных и животных организмов (от одноклеточных до человека) через механизм естественного отбора. Миллионы видов были отбракованы этим механизмом, остались лишь самые эффективные. Поразительно, но нечто похожее, по-видимому, происходило и тогда, когда природа только «готовилась» к порождению жизни. Об этом говорит тот факт, что из более чем 100 известных химических элементов основу всего живого составляют только шесть: углерод, водород, кислород, азот, фосфор и сера. Их общая доля в живых организмах составляет 97,4%. Еще 12 элементов дают примерно 1,6%.

Мир собственно химических соединений не менее диспропорционален. Ныне известно около 8 млн химических соединений. 96% из них — это органические соединения, составленные из все тех же 6 — 18 элементов. Из всех остальных химических элементов природа почему-то создала не более чем 300 тыс. неорганических соединений. Столь разительные несоответствия невозможно объяснить различной распространенно­стью химических элементов на Земле или даже в Космосе. Она совсем другая. Потому налицо совершенно очевидный «отбор» химических элементов, свойства которых (прочность и энергоемкость образуемых ими химических связей, легкость их перераспределения и т.п.) «дают преимущество» при переходе на более высокий уровень сложности и упорядоченности вещества.

Тот же механизм отбора просматривается и на следующем витке эволюции: из многих миллионов органических соединений в построении систем заняты лишь несколько сотен, из 100 известных аминокислот для составления белковых молекул живых организмов природой использовано только 20 и т.д. Натакого рода факты и опираются представления о «предбиологической эволюции», т.е. эволюции химических элементов и соединений.

Уже сформулированы первые теории химической эволюции как саморазвития каталитических систем. Конечно, в этой области еще очень много неясного, малообоснованного и т.д., но важен сам факт «обращения» современной химии в «эволю­ционную веру».

В XX в. эволюционное учение интенсивно развивалось и в рамках его прародительницы — биологии. Современный эволюционизм в научных дисциплинах биологического профиля предстает как многоплановое учение, ведущее поиск законо­мерностей и механизмов эволюции сразу на многих уровнях организации живой материи: молекулярном, клеточном, орга-низменном, популяционном и даже биогеоценотическом. Наиболее выдающиеся успехи достигнуты, конечно, на молекулярно-генетическом уровне: расшифрован генетический механизм передачи наследуемой информации, выяснены роль и структура ДНК и РНК, найдены методы определения последовательно­стей нуклеотидов в них и т.п. Синтетическая теория эволюции (синтез генетики и дарвинизма) развела процессы микроэволюции (на уровне популяций) и макроэволюции (на надвидовых уровнях), установила в качестве элементарной эволюционной единицы популяцию и пр. Таким образом, именно дарвиновская концепция эволюции стала тем основным руслом, в которое вливаются многочисленные потоки разнородного спе­циализированного биологического знания.

Идея эволюции праздновала успех и в других областях естествознания — в геологии, например, окончательно утвердилась концепция дрейфа континентов; а такие науки, как экология, биогеохимия, антропология, были изначально «эволюционным.

Поэтому современное естествознание вправе провозгласить лозунг: «Все существующее есть результат эволюции!». Укорененность в нынешней научной картине мира представления о всеобщем характере эволюции является ее главной отличительной чертой.

В биологии концепция эволюции имеет давние устойчивые традиции. А вот физика и химия к таким идеям только привыкают. Облегчить этот процесс, видимо, призвано новое междисциплинарное научное направление (появившееся в 70-х гг.) — синергетика. Она претендует на то, что способна описать движущие силы эволюции любых объектов нашего мира.

Атомистическая концепция строения материи

Идеяоб атомистическом строении материи, выдвинутая Демокритом (древнегреческим философом в V веке до н. э.), была возрождена в XVIII в. Джоном Дальтоном (английским химиком, физиком). Он принял за единицу вес одного атома водорода и сравнил с ним атомные веса других газов. В XIX веке Д. И. Менделеев построил систему химических элементов, основанную на их атомном весе. Предполагалось, что при всех химических превращениях разрушаются и вновь создаются только молекулы, а атомы остаются неизменными.

После открытия французским физиком Антуаном Беккерелем явления радиоактивности в конце XIX веке начинается изучение физических свойств атома. Явление радиоактивности - это самопроизвольное превращение атомов одних элементов в атомы других элементов. Изучение радиоактивности продолжили французские физики супруги Пьер и Мария Кюри, открыли новые радиоактивные элементы полоний и радий. Все трое удостоены Нобелевской премии по физике за открытие явления радиоактивности в 1903 г.

Модели строения атомов:

1. В 1895 году английский физик Джозеф Томсон открывает
   отрицательно заряженную частицу (электрон), входящую в состав всех
   атомов. Атом является электрически нейтральным, электрон отрицательно
   заряжен, следовательно, существует и положительно заряженная частица.
   Масса электрона составила по расчетам 1/1836 от массы положительно
   заряженной частицы. В 1902 г. Томсон предложил первую модель атома -
   в положительный ' заряд, распределенном в пространстве, вкраплены
   электроны, как «изюм в пудинг».

2. В 1908 г. Эрнест Резерфорд, пропуская а-частицы через тонкую
   пластину из золота и других металлов, объясняя их отклонение,
   предположил существование атомного ядра. Все а-частицы
   беспрепятственно проходили через пластинку, отклонение было мало, но
   одна из 10000 отклонялась на угол до 150°, она испытывала столкновение с
   чем-то. Он предположил, что это ядро атома - положительно заряженная

о

частица, ее размеры (10" см) очень малы по сравнению с размерами атома (10¹² см), но в ней сосредоточена почти вся масса атома.

В 1911 г. Резерфорд предложил ядерную (планетарную) модель атома: вокруг положительно заряженного атомного ядра по замкнутым орбитам движутся электроны, образуя электронную оболочку атома. Атом -это мельчайшая частица химического элемента, сохраняющая его свойства. В ядре сосредоточена почти вся масса атома. Ядро состоит из протонов и нейтронов, заряжено положительно, электроны - отрицательны, сам атом -нейтрален. Число протонов в ядре атома = числу электронов, вращающихся вокруг ядра (электрический заряд ядра = заряду всех электронов атома) = порядковому номеру в периодической таблице химических элементов Менделеева. Атомы могут присоединять или отдавать электроны. Химические свойства атомов определяются в основном числом электронов во внешней оболочке. Планетарная модель атома Резерфорда оказалась

несовместима с электродинамикой Максвелла (во-первых, электроны должны излучать электромагнитную энергию, но быстро потеряв энергию, они упали бы на ядро и, во-вторых, спектр излучения электрона должен быть непрерывным, но опыты показывают, что атомные спектры линейчаты, т. е. атомы излучают свет только определенных частот).

3. В 1913 г. датский физик Нильс Бор выдвигает квантовую теорию строения атома, основанную на планетарной модели Резерфорда и на двух постулатах, несовместимых с классической физикой.

1 постулат Бора (постулат стационарных состояний): в атоме
существуют стационарные (не изменяющиеся со временем) состояния, в
которых он не излучает энергии. Стационарным состояниям атома
соответствуют стационарные орбиты, по которым движутся электроны.
Движение электронов по таким орбитам не сопровождается излучением
электромагнитных волн.

Характеристики

Список файлов лекций