5 Билет. Материя, движение, пространство и время

Материя есть философская категория для обозначения объективной реальности, которая отображается нашими ощущениями, существуя независимо от них. В классическом представлении в естествознании различают два вида материи: вещество и поле. В современном представлении к этим двум следует добавить третий вид материи – физический вакуум. Повседневный опыт показывает, что тела действуют друг на друга, что приводит к всевозможным изменениям и движениям. Ученых интересует не сам факт движения, а его количественная характеристика, которую нужно изменять, только в этом случае возможно точное описание движения. Для количественного описания движения сформировались представления о пространстве и времени. В физике движение рассматривается в самом общем виде как изменение состояния или другой физической системы. И для описания состояния вводится набор измеряемых параметров, к которым со времен Декарта относятся пространственно-временные координаты, или точки пространственно-временного континуума, означающего непрерывное множество. В физике используются и другие параметры состояния систем: импульс, энергия, температура, спин и др. Для измерения времени могут быть использованы как периодические процессы, так и непериодические.

Время выражает порядок смены физических состояний и является объективной характеристикой любого физического процесса или явления; оно универсально. Говорить о времени безотносительно к изменениям в каких-либо реальных телах или системах – с физической точки зрения бессмысленно. Ньютон различал абсолютное и относительное время. Во-первых, течение времени зависит от скорости движения системы отсчета. При достаточно большой скорости, близкой к скорости света, время замедляется, т.е. возникает релятивистское замедление времени. Во-вторых, поле тяготения приводит к гравитационному замедлению времени. Можно говорить только о локальном времени в некоторой системе отсчета. Время всегда относительно. Важная особенность времени выражена в постулате времени: одинаковые во всех отношениях явления происходят за одинаковое время. По аналогии с абсолютным временем Ньютон ввел понятие абсолютного пространства, которое может быть совершенно пустым и существует независимо от наличия в нем физических тел, являясь как бы мировой сферой, где разыгрываются физические процессы. Свойства такого пространства определяются Евклидовой геометрией. Для реального мира пространство и время имеет не абсолютный, а относительный характер. 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: смещение во времени и 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. Из принципа инвариантности 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. Из свойства симметрии пространства следует закон сохранения импульса: импульс замкнутой системы сохраняется, т.е. не изменяется с течением времени. Однородность времени означает инвариантность физических законов относительно выбора начала отсчета времени. Еще одно свойство симметрии пространства – это его изотропность. Изотропность пространства означает инвариантность физических законов относительно выбора направлений осей координат системы отсчета. Из изотропности пространства следует закон сохранения момента импульса: момент импульса замкнутой системы сохраняется, т.е. не изменяется с течением времени. Мировой эфир – это предполагавшаяся ранее универсальная сплошная среда, заполняющая все мировое пространство, в том числе и промежутки между атомами и молекулами в телах. Изучение оптических и электромагнитных явлений показало несостоятельность гипотезы о существовании эфира как универсальной механической среды: современная физика считает, что в пространстве между телами существуют различные физические поля, являющиеся особыми формами материи.

Структурные уровни организации материи. Микро-, макро- и мегамиры.

В конце средних веков возникло поня­тия «естествознание» Эта новая наука начала свое триумфальное шествие с эпохи Возрождения, когда была признана воз­можность математического описания результатов, полученных экспери­ментальным путем.

С развитием новой науки возникла необходимость более глубокого разделения ее на специальные дисциплины, для более тщательного и глубокого изучения отдельных явлений и процессов определенной об­ласти действительности. Естественные науки, получившие свое граждан­ство с 18 в., — это совокупность

всех наук, занимающихся иссле­дованием природы. Главные сферы естественных наук — материя, жизнь, человек, Земля, Вселенная — позволили сгруппировать их следующим об­разом:

1. физика, химия, физическая химия

2. биология, ботаника, зоология

3. анатомия, физиология, учение о происхождении и развитии, учение о

наследственности

4. геология, минералогия, палеонтология, метеорология, география

5. астрономия вместе с астрофизикой и астрохимией.

Математика, по мнению ряда натурфилософов, не относится к естествен­ным наукам, но является решающим инструментом их мышления. Дифференциация научного знания была необходимым этапом в разви­тии науки.

Частные науки классифицировались с точки зрения их пред­мета или метода. В философии существует категория материи, которая обозначает объективную реальность, независимую от восприятия. В физике под понятием материи понимается любое вещество. Вещество может находиться в твердом, жидком, газообразном и плазменном агрегатных состояниях. Принципиально отличное от обычного «вещества» состояние материи в виде поля.

Материальный мир делиться на три сферы: неживая природа, живая природа, социум. Структурность — внутренняя расчлененность реального мира. Неживая природа представлена уровнями: субмикроэлементарном, микроэлементарном, ядерном, атомном, молекулярном, макротел, планет, систем планет, галактик, систем галактик, метагалактик, Вселенной или мира в целом. Живая природа имеет свои уровни: доклеточный (ДНК, РНК, белки), клетки, многоклеточные организмы, виды и популяции, биоценозы, биосфера. Социум представлен уровнями: индивид, семья, коллективы, социальные группы, этносы и нации, государство, союзы государств, человечество.

Материя имеет сложное строение, которое можно рассматривать на нескольких структурных уровнях: на мега уровне материя рассматривается в виде галактик, на макро уровне материя может представлять собой определенное тело, например, стол, на микро уровне — этот стол уже рассматривается как сложная система частиц (молекул, затем — атомов, затем — элементарных частиц). Таким образом весь материальный мир можно рассматривать как мега мир — мир галактик, звезд, комет и др. небесных тел, макро мир — мир окружающих нас вещей, и микро мир —невидимый мир молекул, атомов и элементарных частиц. При этом мега мир включает в себя микро мир (галактики состоят из более мелких тел), макро мир включает в себя микро мир (любое тело состоит из элементарных частиц). Какова структура материи на уровне меньше чем макро уровень (с размерами меньше 10^-16 см) пока не ясно. В масштабах, превышающих тысячи мегапарсек, Вселенная бесструктурна. В таких масштабах материя однородна и изотропна, т.е. св-ва везде одинаковы. С развитием науки познания о материи расширяются и горизонтные ее изучения раздвигаются.

Для описания макро и мега мира используются уравнения и законы классической физики, которые позволяют определить их положение, скорость, траекторию ит.д. Но эти уравнения бессильны описать микро мир, для этого необходима квантовая физика и статистическая физика, описывающая параметры элементарных частиц вероятностными характеристиками с учетом их волновых свойств.

Распределение и структуру материи на мега уровне изучает астрофизика, на микро уровне — атомная физика, ядерная, физика элементарных частиц. Изучает материю на макро уровне физика твердого тела, физика жидкостей и газов.

БИЛЕТ №6 Фундаментальные взаимодействия.

Взаимодействие – основная причина движения материи, поэтому взаимодействие универсально, т.е. присуще всем матер объектам вне зависимости от их природы происхождения и системной организации. Концепция осуществления взаимодействия между объектами:

- теория близкодействия – взаимодействие материальных объектов передается через пустое пространство мгновенно;

- теория дальнодействия – взаимодействия передаются посредством физических полей с конечной скоростью, не превышающей скорость света в вакууме. Данная концепция нашла экспериментальное подтверждение.

Взаимодействующие объекты обмениваются энергией и импульсом. Гравитационное взаимодействие проявляется во взаимном притяжении любых материальных объектов, имеющих массу. Оно определяется посредством гравитационного поля и определенным фундаментальным законом природы – законом всемирного тяготения (между 2-умя матер точками массой м1 и м2, расположенными на расстоянии друг от друга, действует сила Ф, прямо пропорциональная произведению из масс и обратно пропорциональная квадрату расстояния между ними)

Переносчиками гравитационного взаимодействия являются гравитоны – частицы с нулевой массой, кванты гравитационного поля. Электромагнитное взаимодействие обусловлено электронными зарядами и передается посредством электрического и магнитного полей. Эл поле возникает при наличии электрических зарядов, а магнитное – при их движении. Изменяющееся магнитное поле порождает переменное электрическое поле, которое является источником переменного магнитного поля. Благодаря электромагнитному взаимодействию существуют атомы и молекулы, происходят превращения вещества. Переносчиками этого взаимодействия являются фотоны – кванты электромагнитного поля с нулевой массой. Они регистрируются приборами в виде электромагнитной волны разной длины. Сильное взаимодействие обеспечивает связь нуклонов в ядре. Взно определяется ядерными силами, обладающими зарядовой независимостью, короткодействием. Это взаимодействие отвечает за стабильность атомных ядер. Чем сильнее взаимодействие нуклонов в ядре, тем стабильнее ядро, тем больше его удельная энергия связи. С увеличением числа нуклонов в ядре и размера ядра удельная энергия связи уменьшается, и ядро может распадаться. Сильное взаимодействие передается глюонами – частицами, склеивающими кварки, входящие в состав протонов, нейтронов и др. частиц. В слабом взаимодействии участвуют все элементарные частицы, кроме фотона. Оно обусловливает большинство распадов элементарных частиц. Слабое взаимодействие проявляется в процессах бета-распада атомных ядер изотопов, сводных нейтронов. Переносчиками слабого взаимодействия являются вионы – частицы с массой в 100 раз большей массы протонов и нейтронов. Для характеристики фундаментальных взаимодействий используют безразмерную константу взаимодействия, определяющую величину взаимодействия и радиус действия.