Концепции современного естествознания

3)хаотическое поведение систем.

5.В точке бифуркации система:

1)возвращается в своё исходное состояние;

2)случайно выбирает путь нового развития;

3)прекращает взаимодействие с другими системами.

КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ по теме 3

1.Охарактеризуйте сущность естественнонаучного познания, его структуру и методы.

2.Чем обусловливаются антинаучные тенденции в развитии культуры и в чём опасность их проявлений?

3.Охарактеризуйте сущность и приведите примеры динамических

истатистических законов. Какие из них являются фундаментальными?

4.В чём особенность термодинамических методов исследования физических систем? Рассмотрите понятие энтропии и дайте формулировки 2- го закона термодинамики через это понятие.

5.Что представляют собой процессы самоорганизации? К каким системам применимы синергетические методы исследования? Приведите примеры.

6.Что такое «Тепловая смерть Вселенной»? Почему, как выяснилось, нашей Вселенной не грозит тепловая смерть? С каким фундаментальным законом природы связан ответ на этот вопрос?

ТЕМА 4. Фундаментальные концепции физического описания природы

4.1 Материя. Движение. Взаимодействия. Дальнодействие и близкодействие

Одной из фундаментальных наук о природе является физика, которая изучает наиболее общие свойства материального мира и является основой естествознания. Материальный мир можно разделить на три составляющих: неживая природа, живая природа и общество. Каждая из этих составляющих развивается по своим специфическим законам, имеет свой характер развития материи.

Современная физика рассматривает материю в виде частиц, из которых состоят все вещества (твёрдые, жидкие, газообразные, плазма и др.) и в виде полей ( электромагнитное, гравитационное и др.). В последнее время в качестве одного из видов материи рассматривают физический вакуум, который не является абсолютной пустотой, а представляет собой форму

32

материи со сложными свойствами, которые во многом определяют динамику развития Вселенной.

Неотъемлемым свойством материи является движение. Под движением понимают все изменения, все процессы, которые происходят с материей. Всё течёт, всё изменяется. К физическим формам движения относятся механическое (самое простое и наглядное, заключающееся в перемещении одних тел относительно других), тепловое (молекулярнокинетическое), электромагнитные процессы, ядерные и другие. Химия изучает химические формы движения материи, биология – биологические. Высшей формой движения материи является мышление.

Движение включает в себя различные виды взаимодействий, которые являются проявлением глубинных свойств материи.

Для всякого объекта существовать – значит взаимодействовать, как-то проявлять себя по отношению к другим объектам. Сложилось представление о четырёх фундаментальных взаимодействиях: гравитационном, электромагнитном, слабом и сильном (ядерном). Любой материальный объект, обладающий массой, создаёт вокруг себя гравитационное поле, которое ответственно за гравитационное притяжение тел, подчиняющееся закону всемирного тяготения. Заряженные тела создают вокруг себя электромагнитное поле, имеющее две компоненты – электрическую и магнитную, которые подчиняются системе уравнений Максвелла, а электромагнитное взаимодействие проявляет себя в виде притяжения или отталкивания, оно ответственно за существование атомов, молекул и состоящих из них макроскопических тел. Электромагнитное взаимодействие проявляется как в микромире, так и в макромире, и мегамире. Слабое взаимодействие возникает при взаимных превращениях элементарных частиц, в природе оно играет чрезвычайно важную роль. Например, ядерные реакции на Солнце и других звёздах связаны с проявлением слабого взаимодействия. Сильное взаимодействие является источником огромной энергии и проявляет себя притяжением протонов и нейтронов, находящихся внутри атомных ядер; оно обеспечивает исключительную прочность этих образований, лежащую в основе стабильности вещества в земных условиях.

Наименее интенсивным является гравитационное взаимодействие, за ним идёт слабое, потом электромагнитное , которое примерно в 100 раз слабее сильного. Чем сильнее взаимодействие, тем с большей интенсивностью протекают процессы. В нашей жизни гравитационное взаимодействие проявляется только в виде силы тяжести, за счёт которой любое тело, потерявшее опору, падает на Землю. Все остальные силы, с которыми мы встречаемся в жизни (силы трения, упругости и др.) по своей природе являются электромагнитными.

Фундаментальные взаимодействия имеют как общие черты, так и свои особенности. Общим является то, что передача взаимодействия осуществляется не мгновенно, а с конечной скоростью, не превышающей скорость света в вакууме (300000 км/с). Кроме того современная наука

33

исходит из того, что у каждого взаимодействия есть свои переносчики, трансляторы взаимодействия, кванты поля, которые можно рассматривать как частицы (корпускулы). У гравитационного взаимодействия это гравитоны, у электромагнитного – фотоны, у слабого - векторные бозоны, у сильного – глюоны.

iСлабые и сильные взаимодействия возникают на очень малом расстоянии. Радиус действия сильного взаимодействия примерно 10-15 м, слабого – не превышает 10-18 м. Эти взаимодействия называют короткодействующими (близкодействие). Гравитационное и электромагнитное взаимодействия имеют практически неограниченный радиус действия и называются дальнодействующими. Концепция дальнодействия предполагает, что взаимодействие материальных тел не требует материального посредника и может передаваться мгновенно.

Кажется удивительным, что всё многообразие сил, действующих в природе, можно свести к четырём видам, однако наука стремится объединить и эти взаимодействия и создать теорию единого поля, единого взаимодействия, из которой вышеперечисленные взаимодействия вытекали бы как частные случаи. Такая теория потребует синтеза естественнонаучных знаний об окружающем мире – от элементарных частиц до Вселенной.

4.2 Корпускулярная и континуальная концепции описания природы

На основе материала, рассмотренного в предыдущем параграфе, составим следующую таблицу:

Из таблицы видно, что каждый квант поля есть элементарная частица. Современное естествознание рассматривает силу как результат обмена частицами – носителями взаимодействия. Например, электромагнитное взаимодействие между двумя электронами обусловлено обменом фотоном. Аналогичным образом обмен другими частицами-посредниками (т.е.квантами полей) приводит к возникновению взаимодействий трёх остальных видов. Таким образом, возникает представление о квантовополевом механизме передачи взаимодействия. Взаимодействие рассматривается не только как результат порождения полей, но и как результат обмена виртуальными частицами – квантами соответствующего

34

поля. С понятием частица связано представление о прерывности

(дискретности), с понятием поля связано представление о непрерывности или континуальности ( континуум означает непрерывное множество). Вся современная физика пронизана идеей воспринимать частицу как квантовые состояния некоторого поля. В этом смысле поле является первичным понятием, а элементарные частицы возникают в результате его квантования. Таким образом, квантовое поле –это фундаментальная сущность, которая может существовать в протяжённой (континуальной) форме ( в виде поля), и в непротяжённой (дискретной) форме – в виде частиц. Непрерывность и дискретность – неотъемлемые свойства материи. Например, вещество, находясь в твёрдом или жидком состояниях, обычно воспринимаются нами как н е п р е р ы в н а я , сплошная среда. При рассмотрении свойств такого вещества в большинстве случаев учитывается только его непрерывность. Однако то же вещество при объяснении тепловых процессов, электромагнитного излучения, образования химических связей и т.п. рассматривается как д и с к р е т н а я среда, состоящая из взаимодействующих между собой атомов и молекул.

4.3 КОНЦЕПЦИИ ПРОСТРАНСТВА И ВРЕМЕНИ

Весь материальный мир существует и эволюционирует в пространстве и времени. Первые представления о пространстве и времени были выработаны в античном мире. Существовало два подхода к пониманию

Демокрит, которые рассматривали пространство и время как независимые от материальных тел сущности, обладающие собственным бытием. Исходя из того, что все тела состоят из атомов и пустоты, современники этих мыслителей не разделяли такой точки зрения, считая, что пустота это небытие.

Представителем реляционного подхода был Аристотель, понимающий пространство и время как систему отношений между материальными телами и происходящими с ними событиями (дальше-ближе, до - после и т.д.). Аристотель полагал, что понятие м е с т а можно определить только с помощью материальных тел, между которыми заключено это место, а понятие в р е м е н и связано с рядом событий, происходящих в определённой последовательности.

Точка зрения Аристотеля оставалась господствующей в течение почти двух тысяч лет до тех пор, пока И.Ньютон не возродил субстанциональный подход, введя понятия Абсолютного пространства и Абсолютного времени.

35

4.3.1 Основные свойства пространства и времени

Однородность пространства означает, что все точки пространства эквивалентны, ни одна из них не имеет преимуществ. Перенос экспериментальной установки из одной точки в другую не повлияет на результаты эксперимента. Однородность пространства означает, что у Вселенной нет центра, как и нет окраин. Пространство является протяжённым и трёхмерным. Понятие многомерного пространства существует не как физическое, а как математическое.

Изотропность пространства связана с представлением о равнозначности всех направлений в пространстве.

Однородность времени говорит о равнозначности всех моментов времени. Например, эксперимент, поставленный несколько лет назад, даст тот же результат, что и поставленный в настоящее время. Время анизотропно, одномерно - течёт только из прошлого в будущее. Время одномерно. У времени есть некоторые специфические формы его проявления –«биологическое» время, «психологическое» время, социальное время и др., которые отличаются от объективного физического времени.

Все перечисленные свойства пространства и времени связаны с симметрией, которая, в свою очередь, связана с принципом инвариантности относительно сдвигов в пространстве и во времени: смещение в пространстве и во времени не влияет на протекание физических процессов. В широком смысле инвариантность означает неизменность свойств системы при некотором преобразовании её параметров.

С концепцией симметрии связаны законы сохранения, которые выделяются среди других законов своей всеобщностью, т.е. фундаментальностью. Согласно теореме Нётер, каждая симметрия ведёт к сохранению определённой физической величины. Так, однородность пространства, т.е. симметрии по отношению к преобразованию сдвига, приводит к закону сохранения импульса. Однородность времени приводит к закону сохранения энергии. Изотропность пространства приводит к закону сохранения момента импульса.

4.3.2 Пространство и время в классической механике. Механический принцип относительности Галилея

В 1687 году вышел основополагающий труд Ньютона «Математические начала натуральной философии», в котором сформулированы основные законы движения и даны определения понятиям пространства и времени.

Эти представления легли в основу классической физики, которая рассматривает движения со скоростями, намного меньшими скорости света. Абсолютное пространство совершенно пустое, оно существует

36

независимо от физических тел, его свойства описываются геометрией Евклида. Движение в абсолютном пространстве осуществляется по законам механики и представляет собой перемещение по непрерывным траекториям. Абсолютное время протекает равномерно и называется длительностью. Длительность событий не связана со свойствами пространства. Таким образом, в классической физике было субстанциальное понимание

пространства и времени, их абсолютность.

В 1636 году Галилей сформулировал классический принцип относительности: во всех инерциальных системах отсчёта движение тел происходит по одинаковым законам. Следствием этого принципа является утверждение о том, что, находясь в инерциальной системе отсчёта, никакими механическими опытами невозможно определить, движется система равномерно и прямолинейно или покоится.

4.3.3 Пространство и время в свете теории относительности А.Эйнштейна

В 1905 году А.Эйнштейн опубликовал работу «К вопросу об электродинамике движущихся сред», в которой по существу была изложена специальная теории относительности (СТО). В этой теории рассматриваются процессы, протекающие со скоростью, близкой или равной скорости света. В этих условиях свойства пространства и времени существенно отличаются от тех, которые были рассмотрены выше применительно к классической физике. В специальной теории относительности пространство и время рассматриваются в рамках реляционного подхода как система отношений между материальными объектами. В СТО так же, как и в классической ньютоновской механике, предполагается, что время однородно, а пространство однородно и изотропно.

А.Эйнштейн

В основе СТО лежат два основных принципа, принимаемых в качестве исходных постулатов.

Первый постулат является обобщением механического принципа относительности Галилея на любые (не только механические) физические

37

процессы. Этот постулат, называемый релятивистским принципом относительности, гласит: в любых инерциальных системах отсчёта все физические процессы при одних и тех же условиях протекают одинаково. Другими словами, принцип относительности утверждает, что физические законы независимы (инвариантны) по отношению к выбору инерциальной системы отсчёта.

Второй постулат выражает принцип инвариантности скорости света: Скорость света не зависит от скорости движения источника или приёмника, она одинакова во всех направлениях и во всех инерциальных системах отсчёта и в вакууме равна С = 300 0000 км/с. Скорость света является одной из универсальных физических констант. Эта скорость является верхним пределом скорости любых объектов природы, любых волн и сигналов, это предельная скорость передачи любых физических взаимодействий.

Прилагательное «специальная» в названии теории означает, что она рассматривает законы природы с точки зрения наблюдателей, расположенных не в произвольных системах координат, а только в инерциальных, где выполняется закон инерции. Согласно этому закону, пока на тело не подействует сила, оно сохраняет своё состояние покоя или прямолинейного равномерного движения. Вот это ограничение специальным выбором системы отсчёта и объясняет название «специальная теория относительности».

В отличие от ньютоновской механики, специальная теория относительности объединяет пространство и время в единый пространственно-временной континуум, в единое ПРОСТРАНСТВО-

ВРЕМЯ. В соответствии с этой теорией пространственно-временные свойства тел зависят от скорости их движения. При приближении скорости

тела к скорости света пространственные размеры тел в направлении движения сокращаются, временные процессы замедляются, а масса тела возрастает. Эти эффекты называют релятивистскими. Выводы теории относительности кажутся нам абсурдными, противоречащими «здравому смыслу», но они находят экспериментальные подтверждения в мире элементарных частиц в опытах, проводимых в ускорителях элементарных частиц.

Таким образом, специальная теория относительности не отменяет законы классической физики. Специальная теория относительности представляет собой современную физическую теорию пространства - времени. Классическую теорию она включает в себя как частный случай (при скоростях, намного меньших скорости света). Пространство и время оказываются симметричными сторонами единого пространственновременного континуума. Отсюда вытекают естественные связи между энергией и импульсом, между электрическим полем и магнитным, между энергией Е и массой М:

38

Е = М ·C2

Эта формула является одной из самых красивых в физике, её называют также формулой 20 века, т.к. с ней связана вся ядерная энергетика. Представления и идеи, основанные на специальной теории относительности, дали возможность создать ядерные реакторы – мощные источники энергии, нехватка которой всё более ощущается на Земле. Но эти же идеи привели к созданию атомного и водородного оружия, обладающего неслыханной ранее разрушительной силой.

Следует обратить внимание на то, что между механикой Ньютона и механикой теории относительности есть одно важнейшее различие даже при сколь угодно малых скоростях. В механике Ньютона энергия покоящегося тела массой М равна нулю, а в механике теории относительности энергия покоящегося тела равна МС2. Это огромный запас энергии! В 1г вещества сокрыта энергия в миллионы киловатт-часов.

Представления о свойствах пространства и времени получили дальнейшее развитие в опубликованной в 1916 году общей теории относительности ( ОТО), где размывается грань между субстанциальным и реляционным подходами. ОТО применима к любым системам отсчёта ( а не только к инерциальным, как СТО ) и включает в себя СТО как частный случай.

Общая теория относительности даёт новую интерпретацию гравитации, основываясь на принципе эквивалентности инерционной и гравитационной масс: кинематические эффекты, возникающие под действием гравитационных сил, эквивалентны инерциальным эффектам, возникающим под действием ускорения. Например, известно, что все тела падают на Землю с ускорением свободного падания g =9.8 м/, обусловленным гравитационным полем Земли. Но если ракета взлетает с ускорением а=g , то экипаж будет чувствовать себя так, как будто он находится в удвоенном (g+g) поле тяжести Земли – одна величина g обусловлена гравитационным полем Земли, а другая – ускоренным движением ракеты. Принцип эквивалентности инерционной и гравитационной масс лёг в основу вывода об инвариантности законов природы в любых системах отсчёта (инерциальных и неинерциальных).

Следующий вывод ОТО связан с представлением об искривлении (деформации) пространства-времени под воздействием массы тела. То, что в классической физике считается силой тяжести, в общей теории относительности является мерой внешнего проявления искривления пространства-времени. Под действием гравитационного поля в сильных полях тяготения происходит замедление времени. Так, радиосигнал, проходящий вблизи Солнца, совсем небольшой звезды по сравнению с другими звёздами Вселенной, испытывает задержку примерно на 0,0002с.

Очевидно замедление времени тем больше, чем интенсивнее гравитационное поле. Более того в гравитационном поле с достаточно

39

высокой напряжённостью возможна полная остановка времени. При этом со световым излучением происходит следующее: чем сильнее тяготение, тем больше увеличивается длина световой волны, а частота уменьшается. При определённой величине гравитационного поля длина волны стремится к бесконечности, а частота соответственно – к нулю. Для наблюдателя этот эффект проявляется в том, что источник светового излучения становится невидимым, т.к. свет не покидает источника. Такие объекты называют чёрными дырами. В общей теории относительности чёрные дыры появляются как частные решения уравнений ОТО. Согласно им чёрная дыра в своей окрестности настолько искривляет пространство-время, что никакой сигнал не может быть передан с её поверхности. Получается, что поверхность чёрной дыры служит границей пространства-времени, доступного нашим наблюдениям.

Таким образом, теория относительности установила не только

неразрывную связь пространства и времени, но и показала зависимость этого единства от свойств материи. Из представлений классической физики следует, что если бы из Вселенной исчезла вся материя, то пространство и время сохранились бы, а теория относительности утверждает, что вместе с материей исчезли бы также пространство и время.

В математическом отношении теория относительности очень сложная, она недоступна нашему непосредственному восприятию. Вместе с тем, экспериментальная проверка этой теории как в микромире, так и в мегамире подтверждает справедливость её выводов (какими бы абсурдными они нам ни казались).

Тренировочный ТЕСТ по теме 4

1.Корпускулярные представления о материи возникли:

1)в древней Греции;

2)в период становления квантовой механики;

3)в период становления классической механики.

2.Представления о поле как виде материи пришло в естествознание:

1)вместе с развитием квантовой физики;

2)с развитием электродинамики;

3)в связи с работами Галилея и Ньютона.

3.Укажите правильное утверждение:

1)фотон – квант электромагнитного поля; глюон – квант

гравитационного поля; 2) бозон – квант ядерного поля; фотон – квант электромагнитного

поля;

40

3)фотон – квант электромагнитного поля; гравитон – квант гравитационного поля.

4.Укажите правильную последовательность взаимодействий в порядке возрастания интенсивности:

1)гравитационное, электромагнитное, слабое, сильное;

2)гравитационное, слабое, электромагнитное, сильное;

3)слабое, сильное, электромагнитное, гравитационное.

5.Независимость свойств пространства от наличия в нём тел и их взаимного расположения лежит в основе:

1)специальной теории относительности;

2)общей теории относительности;

3)классической механики Ньютона.

6.В специальной теории относительности доказывается, что

1)пространственные и временные характеристики объектов в различных системах отсчёта будут одинаковыми;

2)пространственные и временные характеристики объектов в различных системах отсчёта будут разными;

3)свойства пространства и времени не зависят от материальных объектов и изменений, происходящих с ними.

7.Мир с кривизной пространственно-временного континуума описывает:

1)общая теория относительности;

2)специальная теория относительности;

3)классическая механика Ньютона.

КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ по теме 4

1.Какие виды материи различают в современной физике? В чём сущность идеи атомизма и полевой концепции?

2.Корпускулярные и континуальные свойства материи – дайте толкование этим представлениям.

3.Какие типы фундаментальных взаимодействий рассматривает современное естествознание и в чём состоит программа их объединения?

4.Каковы свойства пространства и времени с точки зрения классической механики? Как формулируется механический принцип относительности?

5.В чём заключается новый взгляд на пространство и время в СТО? Противоречат ли выводы специальной теории относительности о свойствах пространства-времени выводам классической механики?

41