KSE3 (Лекции)

Раздел 3. Современные физические представления о мире3.1. Структурные уровни организации материиКсовременномуестествознаниюотносятсятеоретическиеконцепции,сформировавшиеся на протяжении ХХ века в рамках различных научных дисциплин.Согласно современным естественнонаучным представлениям все объекты неживой иживой природы представляют собой упорядоченные, структурированные, иерархическиорганизованные и взаимосвязанные системы. Основополагающую роль в развитииестествознания играет физика (греч.

«природа»). Во-первых, все области естествознанияопираются на общие физические законы природы (закон инерции, закон всемирноготяготения, закон сохранения и превращения энергии, закон возрастания энтропии, законсохранения симметрии и др.), во-вторых, все явления природы имеют внутренниемеханизмы, познать которые можно только понимая их физическую сущность.

Но надо незабывать, что каждая область реальности имеет свою специфику. Например, законыжизни биологических существ не ограничиваются только физическими законами, хотя ихдействие так же распространяется и на них.Иерархические уровни организации материиОБЪЕКТЫ МАТЕРИАЛЬНОГО МИРАМИКРОМИР (L ~ 10-16 – 10-5 м) Элементарные частицы Атомные ядра Молекулы Биологические системы(нуклеиновые кислоты,вирусы, белки, бактерии,клетки)МАКРОМИР (L ~ 10-5 м – 104 км) Газообразные жидкости итвердые тела Плазма Земля Биологические системы(организмы,биогеоценозы, биосфера) Социальные системы(человек, общество,социосфера)МЕГАМИР (L ~ 104 – 1023 км) Солнечная система Звезды Галактика Мегагалактика ВселеннаяРис.3.1. Иерархические уровни организации материиВследствие общности и широты своих законов физика всегда оказывала воздействие наразвитие всех естественных наук, включая их теоретические основы, методологию,направления исследований, инструментарий, обработку и интерпретацию результатов.Физика относится к экспериментальным наукам, ее законы базируются на фактах,установленных опытным путем.

Законы физики – это количественные соотношениямежду физическими величинами, которые описываются математическим языком.В настоящее время объекты материального мира, изучаемые физикой, с точки зренияих структурной организации условно относят к микро-, макро- и мегамирам (рис. 3.1).Микромир – мир элементарных частиц, атомов, молекул и некоторыхнадмолекулярных структур типа клетки и т.п. Это мир предельно малых, непосредственноне наблюдаемых микрообъектов, пространственная размерность которых исчисляется от10-16 – 10-5 м, а время жизни – от 10-24 с до бесконечности.Макромир – мир объектов, которые окружают человека в повседневной жизникоторые соразмерны человеку, пространственные размеры исчисляется от 10-5 м до 104 км,а время жизни – от 10-3 до 1010 с.Мегамир – мир огромных космических масштабов и скоростей, расстояния в которыхизмеряются световыми годами, а время существования космических объектов (звезд,галактик и т.д.) – миллионами и миллиардами лет.3.1.1.

Макромир. Концепции классической физикиСтруктурные уровни организации материи были выработаны в ходе исследованийклассической науки применительно только к объектам макроуровня. Рассмотримконцепции классической физики: механику, оптику, электродинамику.Механика – наука о простейших формах движения материи – механическомдвижении, которое состоит в изменении взаимного расположения тел или их частей впространстве с течением времени и происходящих при этом взаимодействиях междутелами.И. Ньютон, опираясь на труды Г.

Галилея, разработал научную теорию механики,описывающую движение небесных тел и движение земных объектов одними и теми жезаконами.Первый закон, или закон инерции, открытый еще Галилеем, но сформулированныйНьютоном более строго, гласит: «Всякое тело продолжает удерживаться в своемсостоянии покоя или равномерного прямолинейного движения, пока и поскольку оно непонуждается приложенными силами изменить это состояние».Современная формулировка закона: «Если на материальную точку (тело) не действуютсилы, то она сохраняет состояние покоя или равномерного прямолинейного движения».Такое тело называется свободным, а его движение – свободным или движением поинерцииВторой закон механики Ньютона: ускорение движущегося тела прямопропорционально действующей на него силе, обратно пропорционально массе тела инаправлено по прямой, по которой эта сила действует, т.е.

a = (F/m),, где a– ускорениетела, – сила, m –масса тела.Сила есть действие, производимое над телом, чтобы изменить его состояние покоя илиравномерного и прямолинейного движения. Масса тела выступает как коэффициентпропорциональности между силой, действующей на тело, и ускорением (F = ma) ихарактеризует инертность тела, т.е. степень неподатливости изменению состояниядвижения.Третий закон Ньютона: силы взаимодействия двух материальных точек равны повеличине, противоположны и действуют вдоль прямой, соединяющей эти материальныеточки, т.е. F12 = -F21, где F12 – сила, действующая на первое тело со стороны второго, F21– сила, действующая на второе тело со стороны первого.1F12F212Выдающейся заслугой Ньютона было открытие четвертого закона – законавсемирного тяготения: два точечных тела притягивают друг друга с силой, прямопропорциональной произведению их масс, обратно пропорциональной квадратурасстояния между ними и направленной вдоль соединяющей их прямой, т.е.F = γ(m1m2)/r2,где γ = 6,7∙10-11 м3/(кг∙с2) – гравитационная постоянная, m1 и m2 – массы тел, r –расстояние между телами.

В этом законе масса выступает как мера гравитации,т.е.определяет силу тяготения между материальными телами.Важность закона всемирного тяготения состоит в том, что Ньютон при его помощиобосновал систему Коперника и законы Кеплера.Ньютон фактически установил пропорциональность между массой и весом, чтоозначало, что масса является не только мерой инертности, но мерой гравитации.Впоследствии А. Эйнштейн, считая равенство инерционной и гравитационной массфундаментальным законом природы, положил его в основу общей теорииотносительности.Механистический подход к описанию природы оказался необычайно плодотворным.Вслед за ньютоновской механикой были созданы гидродинамика, теория упругости,механическая теория тепла, молекулярно-кинетическая теория и целый ряд других теорий,Однако были две области — оптических и электромагнитных явлений, которые не моглибыть полностью объяснены в рамках механистической картины мира.Оптика (от др.-греч.

– появление или взгляд) описывает свойства света и объясняетсвязанные с ним явления.И. Ньютон считал свет потоком материальных частиц — корпускул. В своейкорпускулярной теории света И. Ньютон утверждал, что светящиеся тела излучаютмельчайшие частицы, которые движутся в согласии с законами механики и, попадая вглаз, вызывают ощущение света. На базе этой теории Ньютон дал объяснение законамотражения и преломления света.В то же время осуществлялись попытки объяснить оптические явления на основеволновой теории, сформулированной нидерландским физиком X.

Гюйгенсом (1629 –1695).Волновая теория устанавливала аналогию между распространением света и движенимволн на поверхности воды или звуковых волн в воздухе. В ней предполагалось наличиеупругой среды, заполняющей все пространство, – светоносного эфира. Распространениесвета рассматривалось как распространение колебаний эфира: каждая отдельная точкаэфира колеблется в вертикальном направлении, а колебания всех точек создают картинуволны, которая перемещается в пространстве от одного момента времени к другому.Главным аргументом в пользу своей теории X. Гюйгенс считал тот факт, что два лучасвета, пересекаясь, пронизывают друг друга без каких- либо помех, в точности, как дваряда волн на воде. Согласно же корпускулярной теории между пучками излученныхчастиц, из которых состоит свет, возникали бы столкновения или, по крайней мере, какиелибо возмущения.

На основе волновой теории X. Гюйгенс успешно объяснил отражение ипреломление света.Однако против волновой теории существовало одно важное возражение. Как известно,волны обтекают препятствия. А луч света, распространяясь по прямой, обтекатьпрепятствия не может. Если на пути луча света поместить непрозрачное тело с резкойгранью, то его тень будет иметь резкую границу. Однако это возражение вскоре былоснято благодаря опытам итальянского физика и астронома Ф. М. Гримальди (1618–1663).При более тонком наблюдении с использованием увеличительных линз обнаруживалось,что на границах резких теней можно видеть слабые участки освещенности в формеперемежающихся светлых и темных полосок или ореолов.

Это явление было названодифракцией света. Именно открытие дифракции сделало X. Гюйгенса ревностнымсторонником волновой теории света. Однако авторитет И. Ньютона был настолько высок,что корпускулярная теория воспринималась безоговорочно, несмотря на то что на ееоснове нельзя было объяснить явление дифракции.Волновая теория света была вновь выдвинута в первые десятилетия XIX в. английскимфизиком Т. Юнгом(1773–1829) и французским естествоиспытателем О. Френелем (1788–1827).Т. Юнг дал объяснение явлению интерференции, т.е. появлению темных полосок приналожении света на свет.Суть ее можно описать с помощью парадоксального утверждения: свет, добавленный ксвету, не обязательно дает более сильный свет, но может давать более слабый и дажетемноту. Причина этого заключается в том, что согласно волновой теории светпредставляет собой не поток материальных частиц, а колебания упругой среды, иливолновое двжение.При наложении цепочек волн в противоположных фазах, гребень одной волнысовмещается со впадиной другой, и волны уничтожают друг друга, в результате чегопоявляются темные полосы.Явления интерференции и дифракции могли быть объяснены только в рамках волновойтеории и не поддавались объяснению на основе механистической корпускулярной теориисвета.Другой областью физики, где механические модели оказались неадекватными, былаобласть электромагнитных явлений.