- •Современного
- •Естествознания
- •Курс лекций
- •Логика познания и методология естественных наук
- •1.1. Всеобщий характер законов природы
- •1.2. Понятия метода и методологии. Классификация методов научного познания
- •1.3. Общенаучные методы эмпирического познания. Наблюдение и эксперимент
- •1.4. Общенаучные методы теоретического познания. Абстрагирование и идеализация. Мысленный эксперимент
- •1.5. Формализация как метод теоретического познания. Язык науки
- •1.6. Индукция и дедукция как формально-логические методы познания. Основные методы индукции
- •Естествознание эпохи античности. Натурфилософия и ее место в истории естествознания. Возникновение античной науки
- •2.1. Естествознание эпохи Средневековья
- •2.2. Научные революции в истории естествознания. Естествознание эпохи Возрождения. Первая научная революция. Учение о множественности миров
- •2.3. Естествознание Нового времени. Научная революция XVII века. Создание классической механики и экспериментального естествознания
- •2.4. Естествознание Нового времени и проблема философского метода
- •2.5. Научная революция второй половины XVIII–XIX веков. Диалектизация естествознания
- •2.6. Исследования в области электромагнитного поля и начало крушения механистической картины мира
- •2.7. Естественнонаучная революция первых десятилетий XX века. Проникновение вглубь материи. Теория относительности и квантовая механика. Крушение механистической картины мира
- •2.8. Научно-техническая революция, ее исторические этапы и естественнонаучная составляющая
- •Понятия пространства, времени и материи. Фундаментальные взаимодействия
- •3.1. Гравитационное взаимодействие
- •3.2. Понятие о квантовой гравитации
- •3.3. Слабое взаимодействие
- •3.4. Электромагнитное взаимодействие
- •3.5. Сильное взаимодействие
- •3.6. Тенденции объединения взаимодействий
- •3.7. Концепции материи, движения, пространства и времени
- •Фундаментальные принципы и законы
- •4.1. Свойства пространства-времени и законы сохранения
- •4.2. Классическая концепция Ньютона
- •4.3. Статистические и термодинамические свойства макросистем
- •4.4. Электромагнитная концепция
- •4.5. Концепции дальнодействия и близкодействия
- •4.6. Дискретность и непрерывность материи
- •4.7. Сущность электромагнитной теории Максвелла
- •4.8. Корпускулярно-волновые свойства света
- •4.9. Основные концепции описания микромира
- •4.10. Постулаты Бора
- •4.11. Нуклонный уровень организации материи
- •4.12. Дефект массы и энергия связи
- •4.13. Релятивистская квантовая физика. Античастицы и виртуальные частицы
- •4.14. Физический вакуум в квантовой теории поля
- •Место и роль химии в современной цивилизации
- •5.1. Фундаментальные основы современной химии
- •5.2. Особенность и двуединая задача современной химии
- •Концептуальные уровни современной химии
- •5.3. Понятия «химический элемент» и «химическое соединение» с точки зрения современности
- •5.4. Учение о химических процессах
- •5.5. Эволюционная концепция в химии
- •5.6. Сущность химической эволюции
- •5.7. Превращение органических и неорганических соединений
- •5.8. Синтез веществ
- •5.9. Современный катализ
- •Природные процессы образования земных и внеземных веществ. Природные запасы сырья и превращение энергии
- •6.1. Природные запасы сырья и превращение энергии
- •Металлы
- •6.2. Неметаллическое сырье
- •Углерод
- •6.3. Вторичное сырье
- •6.4. Химические процессы и энергетика
- •6.5. Природные энергоресурсы
- •6.6. Источники электрической и тепловой энергии
- •6.7. Эффективность энергосистем
- •6.8. Радиоактивные изотопы
- •6.9. Плазмохимические процессы
- •Особенности биологического уровня организации материи
- •7.1. Важнейшие открытия второй половины XIX века, которые легли в основу современной биологии
- •7.2. Многогранность живого
- •7.3. Триединство концептуальных уровней познания в современной биологии
- •7.4. Структурные уровни организации живых систем
- •7.5. Развитие современной концепции биохимического единства всего живого
- •7.6. За счет чего функционирует энергетика живого?
- •7.7. Особенности термодинамики, самоорганизации и информационного обмена в живых системах
- •7.8. Роль генетического материала в воспроизводстве и эволюции живых организмов
- •Биологическая эволюция
- •8.1. Какие научные факты обосновывают эволюционность живого?
- •8.2. Исторически сформированные концепции происхождения жизни
- •8.3. Особенности условий на ранней Земле
- •8.4. Принципы биологической эволюции
- •Происхождение человека
- •9.1. Сущность современной эволюционной теории происхождения человека от животного предка
- •9.2. Роль естественного отбора и социальных факторов в эволюции человека как комплексном процессе антропосоциогенеза
- •9.3. Как современная наука определяет природу и сущность человека?
- •9.4. Что свидетельствует о сложности и многомерности внутреннего мира человека?
- •9.5. Какие факторы определяют природу человеческого сознания?
- •9.6. Как трактуется психика и сознание теорией отражения?
- •9.7. Чем характеризуются эмоции, чувства, интеллект с позиций гносеологии?
- •9.8. Суть феноменов человеческого воображения и памяти
- •9.9. Возможности психического управления телесными, соматическими процессами
- •Биоэтика и поведение человека
- •10.1. Истоки человеческой морали и этики
- •10.2. Сравнительный анализ социальных структур и социального поведения животных и человека
- •10.3. Чем определяются мотивации человеческого поведения?
- •10.4. Проблема смысла и цели человеческого бытия
- •10.5. Гуманистические позиции биоэтики
- •10.6. Какие факторы приводят к потере здоровья отдельного человека и популяции?
- •10.7. Различие между валеологическими и медико-биологическими подходами к оздоровлению
- •10.8. Что дают современные мировоззренческие знания для понимания природы здоровья?
- •Человек и биосфера
- •11.1. Основа организации и устойчивости биосферы
- •11.2. Эволюция биосферы
- •11.3. Суть и главная задача экологии
- •11.4. Основы целостного учения в.И. Вернадского о биосфере
- •11.5. Новое состояние биосферы в результате взаимодействия человека и природы
- •Эволюционно-синергетическая парадигма
- •12.1. Принципы синергетики
- •12.2. Сущность гуманитарного аспекта синергетики
- •Словарь терминов по курсу
- •Основная литература
- •Дополнительная литература
- •Учебное издание основы современного естествознания Курс лекций
- •210038, Г. Витебск, Московский проспект, 33. Основысовременногоестествознания Витебск 2007
4.1. Свойства пространства-времени и законы сохранения
Весьма важным для понимания законов природы является принцип инвариантности относительно сдвигов в пространстве и во времени, т.е. параллельных переносов начала координат и начала отсчета времени. Он формулируется так: смещение во времени и в пространстве не влияет на протекание физических процессов.
Инвариантность непосредственно связана с симметрией, представляющей собой неизменность структуры материального объекта относительно его преобразований, т.е. изменения ряда физических условий.
В широком смысле симметрия означает инвариантность как неизменность свойств системы при некотором изменении (преобразовании) ее параметров. Наглядным примером пространственной симметрии физических систем является кристаллическая структура твердых тел. Симметрия кристаллов – закономерность атомного строения, внешней формы и физических свойств кристаллов. Она заключается в том, что кристалл может быть совмещен с самим собой путем поворотов, отражений, параллельных переносов и других преобразований симметрии. Симметрия свойств кристалла обусловлена симметрией его строения.
Орнамент, наверное, самое древнее отображение идеи симметрии, лежащей в основе многих фундаментальных законов. Многие процессы в природе имеют симметричный характер.
Из сформулированного принципа инвариантности относительно сдвигов в пространстве и во времени следует симметрия пространства и времени, называемая однородностью пространства и времени.
Однородность пространства заключается в том, что при параллельном переносе в пространстве замкнутой системы тел как целого ее физические свойства и законы движения не изменяются, иными словами, не зависят от выбора положения начала координат инерциальной системы отсчета.
Из свойства симметрии пространства – его однородности следует закон сохранения импульса: импульс замкнутой системы сохраняется, т.е. не изменяется с течением времени. Закон сохранения импульса справедлив не только в классической физике, хотя он и получен как следствие законов Ньютона. Эксперименты доказывают, что он выполняется и для замкнутых систем микрочастиц, подчиняющихся законам квантовой механики. Импульс сохраняется и для незамкнутой системы, если геометрическая сумма всех внешних сил равна нулю. Закон сохранения импульса носит универсальный характер и является фундаментальным законом природы.
Однородность времени означает инвариантность физических законов относительно выбора начала отсчета времени. Например, при свободном падении тела в поле силы тяжести его скорость и пройденный путь зависят лишь от начальной скорости и продолжительности свободного падения тела и не зависят от момента начала падения тела.
Из однородности времени следует закон сохранения механической энергии: в системе тел, между которыми действуют только консервативные силы, полная механическая энергия сохраняется, т.е. не изменяется со временем. Консервативные силы действуют только в потенциальных полях, характеризующихся тем, что работа, совершаемая действующими силами при перемещении тела, из одного положения в другое, не зависит от того, по какой траектории это перемещение произошло, а зависит только от начального и конечного положений. Если работа, совершаемая силой, зависит, траектории перемещения тела из одной точки в другую, то такая сила называется диссипативной (например, сила трения).
Механические системы, на тела которых действуют только консервативные силы (внутренние и внешние), называются консервативными системами. Закон сохранения механической энергии можно сформулировать еще и так: в консервативных системах полная механическая энергия сохраняется.
В диссипативных системах механическая энергия постепенно уменьшается из-за преобразования ее в другие (немеханические) формы энергии. Этот процесс называется диссипацией, или рассеянием энергии. Строго говоря, все реальные системы в природе диссипативные.
В консервативных системах полная механическая энергия остается постоянной, могут происходить лишь превращения кинетической энергии в потенциальную и обратно в эквивалентных количествах.
Закон сохранения и превращения энергии – фундаментальный закон природы. Он справедлив как для систем макроскопических тел, так и для микросистем.
В системе, в которой действуют консервативные и диссипативные силы, например, силы трения, полная механическая энергия системы не сохраняется. Следовательно, для такой системы закон сохранения механической энергии не выполняется. Однако при убывании механической энергии всегда возникает эквивалентное количество энергии другого вида. Таким образом, энергия никогда не исчезает и не появляется вновь, она лишь превращается из одного вида в другой. В этом заключается физическая сущность закона сохранения и превращения энергии – сущность неуничтожения материи и ее движения, поскольку энергия, по определению, – универсальная мера различных форм движения и взаимодействия.
Закон сохранения энергии – результат обобщения многих экспериментальных данных. Идея закона принадлежит М.В. Ломоносову (1711–1765), изложившему закон сохранения материи и движения, а количественная его формулировка дана немецкими учеными – врачом Ю. Майером (1814–1878) и естествоиспытателем Г. Гельмгольцем (1821–1894).
Обратимся еще к одному свойству симметрии пространства – его изотропности. Изотропность пространства означает инвариантность физических законов относительно выбора направлений осей координат системы отсчета (относительно поворота замкнутой системы в пространстве на любой угол).
Из изотропности пространства следует фундаментальный закон природы – закон сохранения момента импульса: момент импульса замкнутой системы сохраняется, т.е. не изменяется с течением времени.
Связь между симметрией пространства и законами сохранения установила немецкий математик Эмми Нётер (1882–1935). Она сформулировала и доказала фундаментальную теорему математической физики, названную ее именем, из которой следует, что из однородности пространства и времени вытекают законы сохранения соответственно импульса и энергии, а из изотропности пространства – закон сохранения момента импульса.
Выявление различных симметрий в природе, а иногда и постулирование стало одним из методов теоретического исследования свойств микро-, и мегамира.