11650 (596873), страница 2
Текст из файла (страница 2)
Панорама современного естествознания. Тенденции развития.
Новые явления и процессы, имевшие место в развитии естествознания и техники в первой половине XX века (открытие цепной ядерной реакции - О. Ган, Ф. Штрассман, Л. Мейтнер и О. Фриш), подготовили уникальное событие, получившее наименование научно-технической революции (НТР), которая началась во второй половине XX века, когда совпали по времени и научная и техническая революции.
Первый этап НТР начался в 50х годах ХХ в.
1) В 1953 году была раскрыта структура дезоксирибонуклеиновой кислоты (ДНК), что послужило началом интенсивных исследований в химии и биологии.
2) В 1954 году была построена первая в мире атомная электростанция в Обнинске.
3) Появилась кибернетика. Электронно-вычислительная техника.
4) Космические исследования. Ракетно-космическая техника.
Второй этап НТР начался со второй половины 70х годов и продолжается до сих пор.
1) В последние десятилетия биология достигла грандиозных успехов, когда сумела заглянуть внутрь живой клетки и понять биологические механизмы на уровне молекулярных взаимодействий. Генная инженерия. Расшифровка генома человека.
2) Новые технологии: гибкие автоматизированные производства, лазерная технология, биотехнология и др.
3) Информатизация общества на основе персональных компьютеров. Интернет.
4) Нанотехнологии, оптоэлектроника, электроника высоких скоростей.
Корпускулярная и континуальная концепции описания природы. Корпускулярно-волновой дуализм.
Поле – сплошная среда, имеющая различные параметры (поле скоростей, температур и т.д.)
Дискретность – «зернистость» – означает делимость пространства- времени, строения и форм движения (скачки). (Например, множество целых чисел).
Континуальность – непрерывность, целостность объекта. (Например, множество действительных чисел).
Луи де-Бройль: все микрообъекты обладают корпускулярными и волновыми свойствами. E = h?, E=mc2, ?=h/mv.
Порядок и беспорядок в природе. Хаос.
Существует различие между обратимыми и необратимыми процессами. Законы классической механики являются обратимыми.
Характер протекания процессов в природе определяется II началом термодинамики, согласно которому в природе возможны процессы, протекающие только в одном направлении – в направлении передачи тепла только от более горячих тел к менее горячим.
В обратимых процессах сохраняется некоторая физическая величина, названная Клаузиусом энтропией. В необратимых процессах энтропия возрастает. Людвиг Больцман связал энтропию S с натуральным логарифмом статистического веса W (или термодинамической вероятности макросостояния, то есть числом микросостояний, которыми может быть осуществлено каждое макросостояние). S = k lnW (k – постоянная Больцмана).
Энтропия – мера неупорядоченности системы (хаоса). Энтропия возрастает по мере увеличения беспорядка в системе. Любая изолированная физическая система обнаруживает с течением времени тенденцию к переходу от порядка к беспорядку.
По Эддингтону возрастание энтропии, определяющее необратимые процессы, есть «стрела времени».
Лекция 5. Структурные уровни организации материи
Концепции описания природы.
Сложился культурно-исторический подход к анализу развития естествознания.
парадигма (гр.пример, образец) – признанные всеми научные достижения, система теоретических представлений и философских обобщений.
В основе «жесткого ядра» физической исследовательской программы лежит базисная теория. Например, квантовая теория поля, как базисная, формирует целый ряд фундаментальных теорий: атомная физика, ядерная физика, физика элементарных частиц и т.д.
Типы физических исследовательских программ: механистическая (Ньютон), релятивистская (Эйнштейн), квантово-полевая (Планк), в настоящее время строится теория Суперобъединения (единая теория поля).
Структурные уровни организации материи. Микро-, макро- и мегамиры. Пространство и время.
Взаимодействие Частицы Максимальн. радиус действ. Относит. интенсивн. Кванты сильное адроны 10-15 м 1 глюоны
электромагнитное все заряж. ч-цы ? 10-3 фотоны слабое все ч-цы, кроме фотона 10-18 м 10-14 бозоны (W+,W-,Z) гравитац. все ч-цы ? 10-36 гравитоны
Элементарные частицы: 36 кварков и антикварков, 8 глюонов, 12 лептонов, фотон – всего 57 элементарных частиц.
Микромир – объекты, меньшие 10-6м, наблюдаемые с помощью приборов.
Макромир - доступный наблюдению человека – от 10-6м до порядка 1 астрономической единицы (150 млн.км -большая полуось земной орбиты).
Мегамир – все за пределами солнечной системы (границы наблюдаемой Вселенной –10 26м).
Ньютон ввел понятия абсолютного пространства и абсолютного времени, которые не связаны с материей, однородны и изотропны. (Это субстанциональная концепция) Р.Декарт – ввел систему координат евклидовой геометрии. (В реляционной концепции пространство и время рассматриваются как системы отношений между взаимодействующими объектами).
Н.И. Лобачевский и Георг Риман – предложили неевклидовы геометрии. Пространство и время составляют континуум, свойства которого зависят от материи.
В настоящее время пространство и время трактуются как формы существования материи. Они неразрывно связаны между собой, их единство проявляется в движении и развитии материи.
Наше пространство трехмерно. (Но в принципе возможны Вселенные с другим числом пространственных измерений). Свойства пространства зависят от скорости движения системы отсчета, от наличия гравитационных полей.
l = lo v (1-v2/c2)
Время течет в одном направлении – от прошлого к будущему. Ход времени зависит от скорости протекания процессов (химическое, биологическое, геологическое время – 1 секунда геологического времени = 100 тыс. лет исторического), зависит от скорости движения инерциальной системы отсчета
( СТО):
t =to/v 1-v2/c2
Современная физика связывает необратимость времени с необратимыми тепловыми процессами.
Некоторые принципы современной физики.
Современная физика, как и классическая, признает объективное существование физического мира, однако отказывается от наглядности.
1. 1.Близкодействия – взаимодействие распространяется с конечной скоростью, через поле (ранее Р.Декарт ввел принцип дальнодействия - мгновенно на любом расстоянии). Максимальная скорость – скорость света в вакууме.
2. Целостности – существует взаимодействие частиц с определенными состояниями физического вакуума, частицы могут рождаться из физического вакуума.
3. Запрета (Паули) – для фермионов: две тождественные частицы не могут находиться в одном квантовом состоянии.
4. Тождественности – состояния системы, полученные перестановкой тождественных частиц местами, нельзя различить ни в каком эксперименте.
5. Симметрии волновой функции для системы тождественных частиц – (симметрия – инвариантность свойств системы при некоторых преобразованиях ее параметров) – существует обменное взаимодействие между частицами (Гейзенберг).
6. Эквивалентности – (в основе ОТО)- ускорение эквивалентно однородному полю тяготения. Следствие – равенство инертной и гравитационной масс.
7. Соответствия (Н.Бор) – любая неклассическая теория в предельном случае переходит в классическую. (Пример – СТО – классическая механика).
8. Неопределенности (В.Гейзенберг) – невозможность одновременно точного определения координаты и импульса частицы: ?x.?px?h.
9. Дополнительности – волновое и корпускулярное описания микропроцессов не исключают, а дополняют друг друга. Этот принцип утверждает зависимость описания поведения физических объектов от условий наблюдения.
10. Суперпозиции – два тела взаимодействуют друг с другом независимо от наличия других тел.
11. Относительности (Галилея – в классической механике, Эйнштейна – в релятивистской): все инерциальные системы отсчета (ИСО) равноправны относительно любых физических явлений. Релятивистская физика отказывается от принципов механистического детерминизма.
И другие принципы…
Лекция 6. Состояние и способы его описания
Динамические и статистические закономерности в природе.
Понятие состояния - центральный элемент физических теорий - совокупность данных, характеризующих объект в данный момент времени. Для задания состояния системы необходимо:
1) определить параметры состояния – совокупность физических величин, описывающих явление,
2) выделить начальные условия (параметры в начальный момент времени),
3) 3)применить законы, описывающие эволюцию системы.
Закон - объективная, необходимая, всеобщая повторяющаяся связь между явлениями и событиями.
Структурность и системность - общие свойства материи.
Структурность – внутренняя расчлененность материи.
Системность – организованность, упорядоченность существования материи.
Единство структурности и системности – определяет существование мира как систему систем: система объектов, система свойств или отношений и т.п.
Бытие – сложноорганизованная иерархия систем, все элементы которой находятся в закономерной связи друг с другом.
Система - комплекс взаимодействующих элементов (неразложимых компонентов системы). По характеру связей между элементами системы и с окружающей средой системы делятся на:
a) суммативные (элементы автономны) и целостные (каждый элемент зависит от целостности);
b) открытые (обменивающиеся энергией, ве6ществом, информацией с окружающей средой) и закрытые (элементы взаимодействуют только между собой).
Лекция 7. Законы сохранения в макропроцессах
Теорема Нётер и законы сохранения.
В 1918 г. Эмми Нётер доказала теорему, из которой следует, что если некоторая система инвариантна относительно некоторого глобального преобразования, то для нее существует определенная сохраняющаяся величина. (Каждый закон сохранения связан с какой-либо симметрией).
a. закон сохранения энергии – следствие временной трансляционной симметрии (однородности времени),
b. закон сохранения импульса – трансляционной симметрии (однородности) пространства,
c. закон сохранения момента импульса - симметрии относительно поворотов в пространстве (изотропности пространства) и т.д.
Диссипация энергии - (необратимый процесс) - переход энергии из одних форм в другие, более низкие по классу (самая низкая – тепловая энергия).
Закон сохранения и превращения энергии - всеобщий закон Природы.
В обратимых процессах S= const, в необратимых - S^. (Отличие прошлого от будущего ).
В равновесных состояниях S= const и max, а энергия min.
Принцип Больцмана – любое макросостояние может быть осуществлено определенным числом микросостояний (W).
Законы термодинамики.
I. (Закон сохранения энергии) ?U=Q – A (изменение внутренней энергии равно полученному количеству теплоты минус работа системы). Первый закон не указывает направления тепловых процессов.
II. Несколько формулировок:
a) процесс, единственным результатом которого было бы изъятие теплоты из резервуара, невозможен;
b) невозможно осуществить процесс, единственным результатом которого было бы превращение тепла в работу при постоянной температуре (Карно);
c) тепло не может передаваться самопроизвольно от холодного тела к горячему;
d) энтропия изолированной системы при протекании необратимых процессов возрастает.
II закон устанавливает наличие фундаментальной асимметрии в природе - однонаправленности самопроизвольных процессов.
III. Невозможно достижение абсолютного нуля ( 0К = - 273,15 оС) как сверху, так и снизу.
В 18 веке произошла промышленная революция (паровые машины - Уатт, Стефенсон, Фултон, Черепанов; цикл Карно; телеграф - Морзе).
21.Эволюционно-синергетическая парадигма.
Синергетика – теория самоорганизации в сложных, открытых, неравновесных и нелинейных системах любой природы. (Совокупность идей о принципах самоорганизации и суммы общих математических методов ее описания).
Самоорганизация - возникновение порядка из хаоса без управляющего воздействия извне, за счет внутренней перестройки системы – общее свойство сложных (состоящих из множества элементов), открытых (находящихся в состоянии обмена энергией, веществом, информацией с окружающей средой), нелинейных (описываемых нелинейными уравнениями) и неравновесных (находящихся вдали от состояния термодинамического равновесия) систем.
Обратная связь – непременный атрибут самоорганизации, а именно положительная ОС (усиливающая) – изменения, появляющиеся в системе, не устраняются, а накапливаются и усиливаются, что приводит к появлению нового порядка и структуры. Отрицательная (успокаивающая) ОС приводит к устранению внешнего воздействия.
Эволюция - постепенное развитие. Развитие самоорганизующейся системы проходит через скачки (точки бифуркации, в которых имеется несколько возможных направлений развития).
Кибернетика («искусство управления») – изучает системы с отрицательной ОС.
Составляющие эволюционно-синергетической парадигмы.
a) принцип глобального эволюционизма,
b) концепция фундаментального единства материи,
c) представление об универсальности алгоритма развития как проявления самоорганизации в природных и социальных системах,
d) принцип необратимости эволюции.
Примеры самоорганизации в неживой природе - реакция Белоусова-Жаботинского, лазер, сверхпроводимость. (Эффект Мейснера – явление полного вытеснения магнитного поля из объема сверхпроводника при понижении температуры ниже критической).
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
