- •Содержание
- •2.2. Трансдисциплинарная идея моделирования природы
- •2.3. Трансдисциплинарная идея единства объекта и его окружения
- •2.4. Трансдисциплинарная идея пространственно-временных отношений в природе
- •2.5. Трансдисциплинарная идея целостности природы
- •2.6. Трансдисциплинарная идея экспериментальной достоверности
- •2.7. Роль трансдисциплинарных идей в целостном понимании природы
- •3.1.2. Концепция единого пространства-времени.
- •3.1.3. Концепция моделирования объектов
- •3.1.4. Концепция контролируемого воздействия.
- •3.1.5. Специфика классических моделей химии и биологии
- •3.2. Образ природы в неклассическом естествознании
- •3.2.1. Концепция измерения в неклассическом естествознании
- •3.2.2. Концепция моделирования состояний
- •3.2.3. Целостность микросостояний. Особенность микросостояний системы тождественных частиц
- •3.2.4.Концепция макросостояний объектов
- •3.2.5. Концепция флуктуации и их корреляций
- •3.2.6. Флуктуации и альтернативная корреляция между ними в микромире
- •Лекция №4.
- •4. Концепция измерения в классическом естествознании. Классические измерительные системы. Проблема измерения в классическом естествознании. Единицы измерения и системы единиц
- •4.1. Проблема измерения в классическом естествознании
- •4.2. Единицы измерения и системы единиц
- •4.3. Возникновение систем мер.
- •4.4.Возникновение и распространение метрической системы мер.
- •4.5. Эталоны.
- •4.6. Атомные часы.
- •Лекция №5.
- •5.1. Временные отношения в природе
- •5.2. Пространственные отношения в природе
- •5.3. Движение частицы. Взаимосвязь Пространства и времени
- •5.4. Целостное описание пространства-времени
- •Лекция №6.
- •6.1. Моделирование
- •6.2. Традиции атомизма и непрерывности в естествознании.
- •6.3. Фундаментальные физические модели объектов
- •6.4. Масса как универсальная характеристика инертности и гравитаци.
- •6.5. Импульс как фундаментальная характеристика объекта
- •6.6. Полная энергия и полный момент как фундаментальные характеристики объекта
- •6.7. Роль фундаментальных законов сохранения в описании природы
- •Лекция №7.
- •7.1. Воздействие и взаимодействие
- •7.2. Характеристики контролируемого воздействия на частицу
- •7.3. Фундаментальные силы
- •7.4. Механическая энергия и динамика частицы
- •7.5. Энергия взаимодействия в системе частиц
- •Лекция №8.
- •8.1. Концепция измерения в неклассическом естествознании
- •8.2. Концепция моделирования состояний
- •8.2.1. Неклассические представления о характеристиках объектов и состояний
- •8.2.2. Фундаментальные модели неклассической физики
- •Лекция №9.
- •9.1. Ограничение воздействия на микроуровне как фундаментальный закон природы
- •9.2. Микросостояние одной микрочастицы.
- •9.3. Целостность микросостояний. Особенность микросостояний системы тождественных частиц
- •Лекция №10.
- •10.1. Тепловое равновесие как макросостояние.
- •10.2. Детерминированное и стохастическое движения. Ограничение воздействия на макроуровне как фундаментальный закон природы
- •10.3. Макропараметры как характеристики объектов и их макросостояний в тепловом равновесии
- •10.4. Два способа описания природы на макроуровне.
- •Лекция №11.
- •11.1. Флуктуации и их роль в описании природы
- •11.2. Флуктуации и альтернативная корреляция между ними в микромире
- •11.3. Флуктуации и неальтернативная корреляция между ними в макромире
- •11.4. Универсальные корреляции между флуктуациями в неклассической физике.
- •Лекция №12.
- •12. Физические принципы создания современной эталонной базы. Использование явления сверхпроводимости.
- •12.1. Свойство сверхпроводимости
- •12.2. Изотопический эффект
- •12.3. Функциональные устройства на магнитных вихрях в сверхпроводниках второго рода
- •12.4 Высокотемпературная сверхпроводимость
- •Лекция №13.
- •13. Явление Зеемана. Явление Джозефсона.
- •13.2. Явление Джозефсона.
- •Лекция №14.
- •14. Явление Мессбауэра. Другие эффекты квантовой физики
- •14.1. Краткая история жизни знаменитого ученого. Научные достижения
- •14.2. Предыстория вопроса
- •14.3. Открытие Мёссбауэра
- •14.4. Природа эффекта
- •14.5. Мёссбауэровские изотопы
- •14.6. Общие применения метода
- •14.7. Применение эффекта Мессбаура для изучения свойств поверхности и объема кристаллов
- •14.8. Химические применения метода
- •14.9. Выводы
- •Лекция №15.
- •15.1.Общие сведения.
- •15.2. Объяснение эффекта Холла с помощью электронной теории
- •15.3. Эффект Холла в ферромагнетиках.
- •15.4. Эффект Холла в полупроводниках
- •15.5. Эффект Холла на инерционных электронах в полупроводниках
- •15.6. Датчик эдс Холла
- •Лекция №16.
- •16. Измерение абсолютного заряда электрона и его удельного заряда. Опыт Милликена. Метод Томсона. Метод магнитной фокусировки Буша.
- •16.1. Инерционный метод измерения заряда. История открытия электрона
- •16.2. Метод магнитной фокусировки Буша
- •16.3. Опыт Милликена
- •Лекция №17.
- •17.1. Шумы, обусловленные дискретностью вещества. Помехи
- •17.2. Дробовый эффект
- •17.3.Критерий устойчивости Найквиста. Формула Найквиста
- •17.4. Естественные пределы точности измерений
- •17.5. Методы повышения точности средств измерений и выполнения измерений
- •17.6. Фундаментальный источник погрешностей измерений. Основные понятия и виды погрешностей
- •17.7. Броуновское движение
- •Список используемой литературы:
6.7. Роль фундаментальных законов сохранения в описании природы
Эти законы сохранения называются фундаментальными, поскольку они в наглядной форме отражают наиболее общие свойства пространства и времени: однородность и изотропность пространства и однородность времени. Общей чертой всех рассмотренных фундаментальных величин – импульса, полного момента и полной энергии – является то, что они сохраняются для изолированной физической системы независимо от ее природы.
Наибольшее применение законы сохранения нашли при анализе процессов в ядрах атомов и среди элементарных частиц. Элементарные частицы – первичные, далее неразложимые частицы, из которых, по предположению, состоит вся материя. В современной физике термин употребляется (менее строго) для наименования большой группы мельчайших частиц материи, подчиненных условию, что они не являются атомами или атомными ядрами (исключение составляет протон). При их столкновениях и распадах происходят не только взаимопревращения различных форм энергии, но и возникновение новых ядер и элементарных частиц.
С практической точки зрения нам далеко не безразлична форма, в которой находится энергия. Так, кинетическая энергия – это «полезная» энергия, которую относительно просто превратить в тепло или использовать для получения работы. Энергия покоя – это скрытая или внутренняя энергия. Всякая возможность, хотя бы частично превратить ее в кинетическую энергию, выгодна. Иногда бывает полезен и обратный переход, когда за счет затрат кинетической энергии получают дополнительную энергию покоя, а значит и массу. Обычно при этом ставят целью получение новых молекул, ядер или элементарных частиц.
Наиболее яркой иллюстрацией процессов взаимопревращения энергии служит процесс полной трансформации вещества в электромагнитное излучение. Это, так называемая, аннигиляции пары частиц – электрона и позитрона. Процесс состоит в том, что вместо исходных покоящихся электрона и позитрона возникают два одинаковых фотона, разлетающихся с одинаковыми импульсами в противоположные стороны. Энергетический баланс показывает, что при этом исходная энергия покоя частиц полностью превращается в кинетическую энергию фотонов.
С процессами взаимопревращения энергий покоя и кинетических энергий человек впервые познакомился после открытия явления радиоактивности. Радиоактивность – испускание излучения естественного происхождения некоторыми минералами. Выявлено, три типа этого излучения: – лучи – тяжелые положительно наряженные частицы (ядра гел1ия), – лучи – отрицательно заряженные легкие частицы (электроны), – лучи – нейтральное излучение, не обладающее массой.
С современной точки зрения, - распад – это деление исходного ядра на два ядра – осколка, одним из которых служит – частица или ядро гелия. Например, для ядра урана – распад состоит в образовании ядер тория и гелия. Иными словами, это типичный выстрел из орудия, в котором лафет – ядро тория, а снаряд – ядро гелия. Поскольку для покоящегося ядра урана импульсы ядер тория и гелия равны по величине друг другу, то в данном случае вследствие закона сохранения энергии кинетические энергии ядер тория и гелия жестко фиксированы.
Совсем другая картина наблюдается в – распаде. Типичный его пример – это распад нейтрона, в результате которого он превращается в две наблюдаемые частицы – протон и электрон: .
Казалось бы, внешне ситуация здесь напоминает – распад. На опыте, однако, оказалось, что энергия вылетающих при – распаде электронов отнюдь не фиксирована и меняется от нуля до некоторого максимального значения, отвечающего выполнению закона сохранения энергии в двухчастичном распаде. В связи с этим первоначально даже возникли сомнения в справедливости этого закона сохранения для – распада. Вместе с тем закон сохранения энергии для изолированной системы – это фундаментальный закон природы, связанный со свойством однородности времени. Поэтому формальное несоответствие результатов опыта этому закону, привело В. Паули к выводу, что этот распад не двухчастичный, а трехчастичный. Он высказал гипотезу, что в процессе – распада вместе с электроном вылетает еще одна частица – нейтрино (или точнее электронное антинейтрино), так что энергия может произвольно делиться между нею и электроном. В дальнейшем гипотеза Паули подтвердилась. Была открыта в 1956 г. новая частица- нейтрино, название его было дано в 1933 г. Э. Ферми, а гипотезу о его существовании высказал в 1930 г. швейцарский физик В. Паули. Нейтрино обладает весьма необычными свойствами: нулевым зарядом, нулевой массой и очень слабым взаимодействием с другими частицами. При этом оказалось, что ее роль в природе исключительно велика.
Вопрос о взаимопревращении энергий покоя и кинетических энергий приобрел важное практическое значение в связи с проблемой обеспечения человечества полезной энергией за счет энергии, заключенной в ядрах атомов. Чтобы ядро можно было бы «рассыпать» на отдельные составляющие его нуклоны – протоны и нейтроны, в среднем на каждый нуклон нужно затратить определенную энергию – так называемую удельную энергию связи. Однако для совокупности ядер имеется слабая зависимость удельной энергии связи от числа нуклонов с характерным максимумом в районе ядра железа. Существование такой зависимости открывает возможности для двух принципиально различных путей извлечения внутриядерной энергии. Общая идея состоит в том, чтобы каким-либо путем переместиться из области легких или тяжелых, но рыхлых ядер в область более плотных ядер средней массы. В этом случае излишняя энергия связи, заключенная в исходных ядрах, может быть превращена в кинетическую энергию ядер, возникающих в конце процесса.
Первый возможный процесс называется делением ядер. В ходе него рыхлые ядра урана-235 или плутония, сталкиваясь с нейтроном, превращаются в более легкие, но более плотные ядра. Второй возможный процесс называется синтезом или слиянием ядер. В ходе него рыхлые ядра тяжелого водорода – дейтерио объединяются в более плотные ядра гелия.
Наконец, представляют интерес и процессы, в которых, наоборот, кинетическая энергия сталкивающихся частиц превращается в энергию покоя объектов до этого отсутствующих в природе. Конечно, энергетически они невыгодны, но они позволяют получить экзотические формы вещества.
При столкновениях известных элементарных частиц – электронов, протонов, нейтрино удалось получить десятки других элементарных частиц или античастиц.
Контрольные вопросы:
Что такое «моделирование»?
Какие выделяют виды моделирования?
Какие 2 традиции описания природы существуют в естествознании? В чем суть каждой? Назовите самых ярких представителей.
Какие существуют две самые общие (фундаментальные) модели материи?
Что характеризует масса как физическая характеристика. Каковы ее основные свойства?
Какие еще вводятся фундаментальные характеристики для описания моделей объектов?
Какую роль играют фундаментальные законы сохранения в описании природы?