- •Тема 1 наука и ее роль в жизни общества проблема определения науки
- •Соотношение науки, философии и религии
- •Структура науки и ее функции
- •Критерии научности знания
- •Тема 2 научная теория. Структура и основания теории
- •Теория как форма научного знания. Теория и научные программы
- •Структура научной теории
- •Гносеологические предпосылки науки
- •Классификация научных теорий
- •Научные понятия и способ их образования
- •Введение и исключение научных абстракций
- •Тема 3 методы научного познания. Развитие научного знания
- •Методы научного познания
- •Законы науки
- •Развитие научного знания
- •Специфика научных революций
- •Тема 4 возникновение науки. Появление первых научных программ проблема начала науки
- •Научные знания на древнем востоке
- •Начало науки. Античная наука
- •Первые научные программы античности
- •Тема 5 формирование основ естествознания в эпоху средневековья и возрождения
- •Основные черты средневекового мировоззрения
- •Наука и научное познание в средние века
- •Революция в мировоззрении в эпоху возрождения
- •Тема 6 научная революция XVI-xvh вв. И становление классической науки
- •Галилей и его роль в возникновении современной науки
- •Основные аспекты научной революции
- •Исаак ньютон и завершение научной революции
- •Тема 7 специфика и природа современной науки
- •Особенности классической науки
- •Наука XIX века
- •Новейшая революция в науке
- •Основные черты современной науки
- •Кризис современной науки. Постнеклассическая наука
- •Тема 8 физическая картина мира
- •Механическая картина мира
- •Электромагнитная картина мира
- •Становление современной физической картины мира
- •Тема 9 структурные уровни организации материи структурность и системность материи
- •Поле и вещество
- •Классификация элементарных частиц
- •Тема 10 физическое взаимодействие проблемы учения о взаимодействии и движении
- •Общая характеристика физических взаимодействий
- •Гравитационное взаимодействие
- •Электромагнитное взаимодействие
- •Слабое взаимодействие
- •Сильное взаимодействие
- •Теории большого объединения и суперобъединения
- •Тема 11 концепции пространства и времени в современном естествознании
- •Развитие представлений о пространстве и времени
- •Теория относительности
- •Единство и многообразие свойств пространства и времени
- •Тема 12 детерминизм и причинность в современной физике. Динамические и статистические законы
- •Динамические законы и теории и механический, детерминизм
- •Статистические законы и теории и вероятностный детерминизм
- •Соотношение динамических и статистических законов
- •Тема 13 принципы современной физики
- •Принцип симметрии и законы сохранения
- •Принцип соответствия
- •Принцип дополнительности и соотношение неопределенностей
- •Принцип суперпозиции
- •Основы термодинамики
- •Тема 14 космологические модели вселенной что такое космология?
- •Начало научной космологии
- •Космологические парадоксы
- •Неевклидовы геометрии
- •Модель расширяющейся вселенной
- •Некоторые трудности гипотезы расширяющейся вселенной
- •Тема 15 эволюция вселенной рождение вселенной
- •Ранний этап эволюции вселенной
- •Структурная самоорганизация вселенной
- •Образование солнечной системы
- •Тема 16 проблемы самоорганизации материи формирование идеи самоорганизации
- •Понятие самоорганизации
- •Основы синергетики
- •Неравновесная термодинамика и. Пригожина
- •Тема 17 становление и развитие химической картины мира возникновение химии
- •Алхимия
- •Арабская алхимия
- •Западноевропейская алхимия
- •Период зарождения научной химии
- •Теория флогистона
- •Закон сохранения массы лавуазье
- •Открытие основных законов химии
- •Химия как наука
- •Тема 18 современные концепции химии структура химии
- •Взаимосвязь химии с физикой
- •Проблема химического элемента
- •Концепции структуры химических соединений
- •Учение о химических процессах
- •Эволюционная химия
- •Взаимосвязь химии с биологией
- •Тема 19 происхождение и сущность жизни история проблемы
- •Концепция происхождения жизни а.И. Опарина
- •Современные концепции происхождения и сущности жизни
- •Сущность и определение жизни
- •Появление жизни на земле
- •Формирование биосферы земли
- •Тема 20 эволюция органического мира
- •Становление идеи развития в биологии
- •Концепция развития ж.-б.Ламарка
- •Теория катастроф ж. Кювье
- •Эволюционная теория ч.Дарвина
- •Антидарвинизм конца XIX-начала XX века
- •Тема 21 современные теории эволюции
- •Основы генетики
- •Синтетическая теория эволюции (стэ)
- •Тема 22 человек как предмет естествознания
- •Происхождение человека
- •Сущность человека
- •Телесность и здоровье человека
- •Тема 23 человек, биосфера и космос
- •Человек и космос
- •Космизация современной науки и философии
- •Антропный принцип
- •Тема 24 на пути к ноосфере
- •Современные концепции экологии
- •Концепция ноосферы и устойчивого развития
Принцип суперпозиции
Этот принцип также имеет важное значение в физике и особенно - в квантовой механике. Принцип суперпозиции (наложения) - это допущение, согласно которому результирующий эффект представляет собой сумму эффектов, вызываемых каждым воздействующим явлением в отдельности. Одним из простых примеров является правило параллелограмма, в соответствии с которым складываются две силы, воздействующие на тело. Принцип суперпозиции выполняется лишь в условиях, когда воздействующие явления не влияют друг на друга. Встречный ветер тормозит движение автомашины по закону параллелограмма -принцип суперпозиции в этом случае выполняется полностью. Но если песок, поднятый ветром, ухудшит работу двигателя, то в этом случае принцип суперпозиции выполняться не будет. Вообще, в ньютоновской физике этот принцип не универсален и во многих случаях выполняется лишь приближенно.
В микромире, наоборот, принцип суперпозиции - фундаментальный принцип, который наряду с принципом неопределенности составляет основу математического аппарата квантовой механики. В квантовой теории принцип суперпозиции лишен наглядности, характерной для классической механики, так как в квантовой теории в суперпозиции складываются альтернативные, с классической точки зрения, исключающие друг друга состояния.
В релятивистской квантовой теории, предполагающей взаимное превращение частиц, принцип суперпозиции должен быть дополнен принципом суперотбора. Простейший пример - при аннигиляции электрона и позитрона принцип суперпозиции дополняется принципом сохранения электрического заряда - до и после превращений сумма зарядов должна быть постоянной. Поскольку заряды электрона и позитрона равны и взаимно противоположны, должна возникать незаряженная частица, каковой и является рождающийся в этом процессе аннигиляции фотон.
А теперь ненадолго вернемся к принципам симметрии, которые, как мы уже знаем, лежат в основе законов сохранения физических величин, и в частности, в основе фундаментального закона сохранения энергии. Он выводит нас еще в одну область физики - термодинамику.
Основы термодинамики
Закон сохранения энергии называют еще первым началом термодинамики. Это фундаментальный закон, согласно которому важнейшая физическая величина - энергия - сохраняется неизменной в изолированной системе. Науке сегодня не известна ни одна причина, которая могла бы привести к нарушению этого закона. Иначе можно было бы создать вечный двигатель - давнюю мечту человечества, двигатель, создающий энергию из ничего. В изолированной системе, согласно этому закону, энергия может только превращаться из одной формы в другую, но ее количество всегда остается постоянным. Если система не изолирована, энергия может изменяться за счет обмена между частями системы или разными системами. Например, ежедневно мы сталкиваемся с тем, что чайник, охлаждаясь, нагревает воздух.
Когда мы говорим о сохранении энергии, мы имеем в виду механическую, тепловую и внутреннюю энергии, то есть энергию, зависящую лишь от термодинамического состояния. Она складывается из движения атомов, энергии химических связей и других типов энергий, связанных с состоянием электронов в молекулах.
Следует отметить, что для макроскопических систем энергия не является непосредственно измеряемой величиной, хотя современная физика дает довольно подробную картину молекулярного строения макроскопического объекта, а теоретическая и экспериментальная физика позволяет различными методами определить уровни энергии или их разности для частиц в системе. Однако до настоящего времени отсутствуют способы непосредственного измерения самой энергии системы в целом. Термодинамика позволяет с точностью до некоторой неопределенной постоянной вычислить эту величину из опытных данных. Для этого следует учесть теплообмен системы с окружающей средой и измерить работу, совершаемую системой.
Первый закон термодинамики гласит: тепло, сообщенное системе, расходуется на увеличение ее внутренней энергии и на совершение работы против внешних сил. Например, если вы поместите градусник, используемый для измерения температуры тела, в стакан с водой с температурой 50° С, то через несколько минут вы услышите характерный звон разбитого стекла: это ртуть, расширившись (а расширение связано с увеличением межатомных расстояний, то есть с увеличением внутренней энергии ртути), и не имея выхода, надавила на стекло резервуара и совершила работу, разрушив его.
Первый закон термодинамики более известен в другой редакции, абсолютно эквивалентной первой: нельзя построить периодически действующую машину, которая бы совершала работу, больше подводимой к ней извне энергии (или - вечный двигатель первого рода невозможен).
Существование вечного двигателя второго рода запрещает второе начало термодинамики. Вечный двигатель второго рода - это циклически действующая машина, способная совершать работу за счет переноса тепла от холодного тела к горячему. Это не запрещено первым началом термодинамики, но практически невозможно.
Второе начало термодинамики указывает на существование двух различных форм энергии - теплоты (связанной с неупорядоченным, хаотическим движением) и работы, связанной с упорядоченным движением. Работу всегда можно превратить в эквивалентное ей тепло - вспомните, как наши предки добывали огонь. В то же время тепло в эквивалентную ему работу полностью превратить нельзя. Другими словами, неупорядоченную форму энергии невозможно полностью перевести в упорядоченную. Мерой неупорядоченности, или мерой хаоса, в термодинамике является энтропия. Энтропия не бывает отрицательной, она всегда положительна, за исключением случая, когда идеальный кристалл находится при абсолютном нуле (но на этот счет есть третье начало термодинамики, говорящее о недостижимости абсолютного нуля, равного -273° С), что невозможно. Иногда используется отрицательная величина энтропии - негэнтропш, которая является мерилом упорядоченности системы. Эта величина может быть только отрицательным числом. Рост негэнтропии соответствует возрастанию порядка, энтропии - росту хаоса.
Таким образом, в соответствии со вторым началом термодинамики, в случае изолированной системы (то есть системы, не обменивающейся энергией с окружающей средой) неупорядоченное состояние не может самостоятельно перейти в упорядоченное. При нагревании тела энтропия увеличивается, растет степень неупорядоченности. В изолированной системе энтропия может только расти.
Так мы сталкиваемся с принципом возрастания энтропии -важнейшим принципом термодинамики. Он соответствует стремлению любой системы к состоянию термодинамического равновесия, которое можно отождествить с хаосом.
Из этого принципа следует идея тепловой смерти Вселенной. Раз все виды энергии деградируют, превращаясь в тепло, то когда-нибудь закончат свое существование звезды, отдав свою энергию в окружающее пространство, и вся Вселенная придет в самое простое состояние хаоса - термодинамического равновесия с температурой лишь на несколько градусов выше абсолютного нуля. В этом пространстве будут разбросаны безжизненные, остывшие шары планет и звезд. Не будет источников энергии - не будет жизни, не будет ничего.
План семинарского занятия (2 часа)
1. Симметрия. Виды симметрии в физике.
2. Принципы симметрии и законы сохранения физических величин.
3. Принцип соответствия.
4. Принцип дополнительности и соотношение неопределенностей.
5. Принцип суперпозиции.
6. Три начала термодинамики.
Темы докладов и рефератов
1. Современные исследования в области симметрии и суперсимметрии.
2. Вечные двигатели: история проблемы.
ЛИТЕРАТУРА
1. Андреев Э.П. Пространство микромира. М., 1969.
2. Готт B.C. Философские вопросы современной физики. М., 1988.
3. Гудков Н.А. Идея «великого синтеза» в физике. Киев, 1990.
4. Девис П. Суперсила. М., 1989.
5. Пахомов Б.Я. Становление современной физической картины мира. М,1985.
6. Философские проблемы естествознания. М., 1985.