1. Что дает основания для выделения микро-, макро- и мегамиров? Что эти миры объединяет? Какие концепции наиболее полно описывают физические явления каждого из этих миров?

Разные физические концепции в единое целое объединяет, вероятно, общее поле, на котором есть области наиболее частого применения тех или иных основных физических теорий - составляющих общей физической картины мира. В настоящее время сложилось представление об иерархичности физических явлений. В рамках физической картины мира выделяют по меньшей мере три структурных уровня - микро-, макро- и мегамир.

Макромир имеет дело с макрообъектами, размеры которых соотносимы с земными масштабами. Пространство измеряется в миллиметрах, сантиметрах и километрах, а время - в секундах, минутах, часах и годах. Наиболее подходящей моделью физической реальности является механика И. Ньютона.

Мегамир характеризуется большими космическими масштабами и скоростями. Пространство измеряется в астрономических единицах, световых годах и парсеках. Характерные для мегамира времена - миллионы и миллиарды лет. Разработаны такие концепции, как специальная и общая теории относительности.

Микромир, мир микрообъектов, имеет масштабы 10^-8 – 10^-16 см, а время охватывает интервал от 10^-24 до времени образования Вселенной. Подходят нерелятивистская и релятивистская квантовые механики.

2. Каковы основные принципы классической механики? Как формировались взгляды классической механики? В чем сущность принципа относительности Г. Галилея?

Анализ физических явлений макромира базируется на концепции классической механики. Механика изучает механическое движение материи, тел и происходящие при этом взаимодействия между ними. Под механическим движением понимают изменение с течением времени взаимного положения тел или их частиц в пространстве; в природе - это движение небесных тел, колебания земной коры, воздушные и морские течения и т.п.

Первые трактаты по механике появились в Древней Греции - это натурфилософские сочинения Аристотеля. Большое влияние на развитие механики оказали гелиоцентрическое учение Н. Коперника и открытие И. Кеплером законов движения планет Основоположником динамики считают Г. Галилея, который получил решение задачи о движении тела под действием силы (закон равноускоренного падения). Его исследования привели к открытию закона инерции и принципа относительности классической механики; он стал основателем теории колебаний и науки о сопротивлении материалов. Создание основ классической механики завершается трудами И. Ньютона, сформулировавшего главные ее законы и открывшего закон всемирного тяготения. В XIX в. продолжается интенсивное развитие всех разделов механики. Была разработана теория устойчивости равновесия и движения, а так же заложены основы современной теории автоматического регулирования. Во второй половине XIX в. выделилась в самостоятельный раздел механики.

На современном этапе к актуальным в механике относят задачи теории колебаний, динамики твердого тела, теории устойчивости движения, механики тел переменной массы и динамики космических полетов.

Предметом изучения классической механики являются движения любых материальных тел, совершаемые со скоростями, много меньшими скорости света. Приведем основные три:

◊ материальная точка — объект пренебрежимо малых размеров, имеющий массу;

◊ абсолютно твердое тело — тело, у которого расстояние между двумя любыми точками всегда остается неизменным;

◊ сплошная изменяемая среда; это понятие применимо, когда можно пренебречь молекулярной структурой среды.

В основе классической механики лежат три закона механики Ньютона:

1) всякое тело продолжает удерживаться в состоянии покоя или равномерного и прямолинейного движения, пока оно не понуждается приложенными силами изменить это состояние;

2) изменение количества движения пропорционально приложенной движущей силе и происходит в направлении той прямой, по которой эта сила действует;

3) действию всегда есть равное и противоположное противодействие, т.е. взаимодействия двух тел друг на друга между собой равны и направлены в противоположные стороны.

Одно из центральных мест в классической механике занимает принцип относительности Г. Галилея, суть которого составляют два положения: 1) движение относительно; 2) физические законы не зависят от движения.

3. В чем суть теории относительности и какие явления она описывает?

Для описания физических явлений в мегамире широко используют специальную и общую теории относительности. Теория относительности получила завершенную форму в 1915 г. в работах А. Эйнштейна. Для общей теории относительности важен принцип эквивалентности. Этот принцип проявляется в том, что в заданном поле тяготения тела любой массы и физической природы движутся одинаково при одинаковых начальных условиях. По общей теории относительности, гравитационное поле есть четырехмерного пространства-времени. В специальной теории относительности изучаются свойства пространства-времени, она представляет собой частный случай общей теории относительности. Теория относительности опирается на геометрию четырехмерного пространства-времени Г. Минковского, событие задается четырьмя координатами - тремя пространственными и одной в ременной. Явления, описываемые теорией относительности, называют релятивистскими (от лат. relativus - относительный).

4. Каков смысл и зачем нужны преобразования Х.А. Лоренца?

В первой четверти XIX в. была создана теория электромагнитного поля, поэтому принцип относительности Г. Галилея потребовал пересмотра. В 1904 г. нидерландский физик Х.А. Лоренц предложил такие преобразования координат и времени какого-либо события при переходе от одной инерциальной системы отсчета к другой, носящие его имя и являющиеся основой специальной теории относительности. Стимулом было стремление заменить преобразования Галилея другими, где все физические законы имели одинаковый вид их движущихся друг относительно друга инерциальных систем отсчета.

5. В чем заключается сущность принципа относительности А. Эйнштейна? Чем он отличается от принципа относительности Г. Галилея?

В 1905 г. Эйнштейн сделал вывод о равноправии всех инерциальных систем отсчета. Сформулировал два важнейших постулата, которые составили основу обобщенного принципа относительности: 1) все законы физики одинаково применимы в любой инерциальной системе отсчета и не должны меняться при преобразованиях Лоренца; 2) свет всегда распространяется в свободном пространстве с одной и той же скоростью независимо от движения источника. Принцип относительности Эйнштейна является расширением принципа относительности Г. Галилея на любые физические явления (механические, оптические, тепловые и др.), которые, протекают одинаково (при одинаковых условиях) во всех инерциальных системах отсчета

6. Что изучает квантовая механика? Какие явления описываются в рамках этой теории?

Для описания явлений микромира обычно привлекают квантовую механику. Квантовой механикой называют теорию, устанавливающую способ описания и законы движения микрочастиц и их систем, а также связь величин, характеризующих частицы и системы, с физическими величинами, непосредственно измеряемыми на опыте. Законы квантовой механики составляют фундамент изучения строения вещества. Они позволили выяснить строение атомов, установить природу химической связи, объяснить периодическую систему элементов, понять строение атомных ядер, изучать свойства элементарных частиц.

Например, квантовая механика позволила объяснить температурную зависимость теплоемкостей газов и твердых тел и вычислить их значения, определить строение и понять многие свойства твердых тел, понять природу астрофизических объектов.

Квантово-механические законы лежат в основе работы ядерных реакторов, обусловливают возможность осуществления термоядерных реакций в земных условиях.

Квантовая механика делится на нерелятивистскую, справедливую в случае малых скоростей, и релятивистскую, удовлетворяющую требованиям специальной теории относительности.

7. Как возникли и развивались квантово-механические представления?

Разработка квантовой механики относится к началу XX в., когда были обнаружены две, не связанные между собой группы явлений, свидетельствующих о неприменимости механики Ньютона и классической электродинамики к процессам взаимодействия света с веществом и к процессам, происходящим в атоме. Установление связи привели к открытию законов квантовой механики. Впервые представления о кванте ввел в 1900 г. М. Планк в работе, посвященной теории теплового излучения тел.

Планк развил квантовую механику в двух взаимосвязанных направлениях, в 1927 году была выведена окончательная формулировка квантовой механики в двух ее формах. Первое направление связано с именем А. Эйнштейна, который предложил теорию фотоэффекта (1905). А. Эйнштейн предположил, что свет квантами не только испускается и поглощается, но и распространяется, т.е. дискретность присуща самому свету. Второе направление развития начинается с работы Эйнштейна (1907), посвященной теории теплоемкости твердых тел. Электромагнитное излучение, представляющее динамически эквивалентно некоторому набору осцилляторов (физических систем, совершающих колебания), а испускание или поглощение волн эквивалентно возбуждению или затуханию соответствующих осцилляторов.

Эйнштейн утверждал, что если тепловое движение твердых тел сводится к колебаниям атомов, то и твердое тело динамически эквивалентно набору осцилляторов с квантованной энергией.

В течение короткого времени квантовую механику с успехом применили для создания теории атомных спектров, строения молекул, химической связи, периодической системы элементов, металлической проводимости и ферромагнетизма. Дальнейшее развитие квантовой теории связано с релятивистской квантовой механикой.

8. Как современные ученые определяют элементарные частицы и атомы? Могут ли они считаться простейшими «кирпичиками материи»?

Элементарных частицах — мельчайших известных частицах физической материи. Поскольку элементарные частицы способны к взаимным превращениям, это не позволяет рассматривать их, так же как и атом, в качестве простейших, неизменных «кирпичиков мироздания». Всего открыто более 350 элементарных частиц. Элементарные частицы классифицируются по типам фундаментальных взаимодействий:

◊ группа лептонов – частицы, не участвующие в сильном взаимодействии и обладающие - лептонным зарядом;

◊ адроны — элементарные частицы, участвующие во всех фундаментальных взаимодействиях. Адроны делятся на барионы и мезоны. Анроны имеют сложную внутреннюю структуру

◊ отдельную «группу» составляет фотон.

При столкновениях элементарных частиц происходят всевозможные превращения их друг в друга (включая рождение многих дополнительных частиц).

Атомом называют часть вещества микроскопических размеров и массы, мельчайшую частицу химического элемента, сохраняющую его свойства. Атомы состоят из элементарных частиц и имеют сложную внутреннюю структуру. В центре атома находится положительно заряженное ядро, в котором сосредоточена почти вся масса атома. Вокруг ядра движутся электроны, образующие электронные оболочки. Ядро атома состоит из протонов и нейтронов. Число электронов в атоме равно числу протонов в ядре, число протонов равно порядковому номеру элемента в Периодической таблице элементов. Химические свойства атомов определяются в основном числом электронов во внешней оболочке. Соединяясь химически, атомы образуют молекулы.

Внутренняя энергия атома может принимать лишь определенные значения, соответствующие устойчивым состояниям атома, и изменяется только скачкообразно путем квантового перехода. Поглощая порцию энергии, атом переходит в возбужденное состояние (на более высокий уровень энергии). Испуская фотон, атом может перейти из возбужденного состояния в состояние. Уровень, соответствующий минимальной энергии атома, называется основным, остальные – возбужденными.

9. Какие модели возникновения и эволюции Вселенной вы знаете? Каковы их основные позиции? На основании чего современное естествознание делает заключение об этом?

Для понимания физической картины мира большое значение имеют - учения о Вселенной как едином целом и ее эволюции. Вопросы происхождения и эволюции небесных тел изучаются особым разделом науки - космогонией.

Для решения космологических и космогонических проблем используют два основных подхода:

1)наблюдательны и: сравнивая характеристики небесных тел, находящихся в разных стадиях развития, можно установить, в какой последовательности эти стадии сменяли друг друга; (звезды, газовые туманности галактики)

2) теоретический: исходя из общих законов физики, можно определить, какие условия должны были существовать в прошлом, чтобы небесное тело приобрело именно те характеристики, которыми оно обладает сейчас, какой путь развития оно прошло. ( эволюция Вселенной в целом).

Если предположить, что во Вселенной отсутствуют силы, возрастающие с расстоянием и противодействующие тяготению вещества, а плотность массы создается главным образом веществом, то космологические уравнения приобретают простой вид и возможны только две модели:

◊ открытая модель, кривизна трехмерного пространства отрицательна или равна нулю, а Вселенная бесконечна; в такой модели расстояния между скоплениями галактик неограниченно возрастают со временем;

◊ замкнутая модель, кривизна пространства положительна, Вселенная конечна, но столь же безгранична, как и в открытой модели; в такой модели расширение со временем сменяется сжатием.

С 1960-1970-х гг. общепринята модель «горячей» Вселенной, в соответствии с которой предполагается высокая начальная температура.

Вывод о нестационарности Вселенной подтвержден обнаруженным в спектрах галактик красным смещением, а концепция «горячей» Вселенной - открытым в 1965 г. реликтовым излучением, которое оказалось в высокой мере изотропным, а спектр его равновесным.

В рамках современной космологии считается, что Метагалактика единственна. Но проблемы пространства-времени разработаны еще недостаточно для того, чтобы составить представление о возможностях, которые могут быть реализованы в природе.

10.Как формировались звезды и галактики? На основании чего современное естествознание делает заключение об этом?

Звезды и звездные скопления имеют разный возраст — от 10 лет (шаровые звездные скопления) до 10 лет для самых молодых (рассеянные звездные скопления и звездные ассоциации). Эволюция звезд проходит несколько стадий:

◊ возникновение звезды в результате конденсации межзвездных пыли и газа, богатого водородом;

◊ стадия термоядерных реакций превращения водорода в гелий в центре звезды;

◊ при исчерпании в центре водорода ядро сжимается и нагревается, а оболочка сильно расширяется;

◊ термоядерное загорание гелия и более тяжелых элементов в ядре звезды, сопряженное в ряде случаев со сбросом водородной оболочки и образованием, так называемой планетарной туманности;

◊ остывание остатка звезды, переход в стадию белого карлика.

Число планетных систем в Галактике достаточно велико.

Соотношение общего количества звездного и межзвездного вещества в галактиках со временем убывает, поскольку из межзвездной материи образуются звезды, которые в конце своего эволюционного пути возвращают в межзвездное пространство только часть вещества; некоторая его часть остается в белых карликах и в нейтронных звездах. Считается, что галактики образовались из газовых облаков, которые состояли главным образом из водорода. Возможно, эти облака содержали только водород, а гелий и тяжелые элементы появились в результате термоядерных реакций внутри звезд.

11.Какие теории о происхождении Солнечной системы вы знаете? в чем их сущность?

Наибольшее развитие получила космогония Солнечной системы. Р. Декарт (1644) высказал предположение, что Солнечная система образовалась из облака газа и пыли. Аналогичную гипотезу позднее развивали Ж.Л. Бюффон (1749) и И. Кант (1755). Они полагали, что в центре облака возникло Солнце, в периферийных его частях - планеты.

В начале XX в. английский ученый Дж.Х. Джине предложил космогоническую гипотезу, в соответствии с которой Солнце, как и другие звезды, сформировалось без планетной системы, она появилась только в результате катастрофы: другая звезда прошла настолько близко к Солнцу, что вырвала из его недр часть вещества. Однако впоследствии было установлено, что выдвинутые Джинсом предположения недостаточно обоснованны.

Выделяют несколько этапов:

1.Сначала произошло уплотнение облака межзвездного вещества, состоящего из молекул и пыли.

2.Наиболее плотные участки облака с массами порядка звездных начинают сжиматься. В центре сжимающегося фрагмента образуется сгущение пыли и газа, которое является ядром аккреции.

3.Через 104- 105 лет после начала сжатия фрагмента масса центрального сгущения достигает примерно 0,1 массы Солнца, вещество становится непрозрачным, температура возрастает и пыль испаряется.

4. Следующий период занимает около 108 лет. Продолжается гравитационное сжатие Протосолнца. Размеры его уменьшаются, приближаясь к современным. Мощный звездный ветер выметает газ из внутренней части, а во внешней ее части продолжается формирование планет-гигантов. Происходит преимущественный рост больших тел за счет малых. Наиболее крупные тела, — это планетезимали, зародыши планет. Особо крупные тела становятся ядрами аккреции, вокруг которых происходит формирование планет земной группы.