Вопросы по ксе для экзамена и зачета.
Естественнонаучные и гуманитарные компоненты человеческой культуры. Античный взгляд на науку.
Можно выделить два значения соотношения гуманитарного и естественнонаучного: в широком и узком смысле слова. В широком смысле слова естественнонаучный компонент культуры понимается как метафора для обозначения научного освоения мира, а гуманитарный компонент – как обозначение духовно-практических способов освоения мира - таких, как мораль, искусство, религия. В узком смысле слова это разделение проходит и внутри самого научного освоения мира как различие между естественными науками и науками гуманитарного цикла. В любом случае «гуманитарный» понимается как имеющий отношение к человеку, ценностно нагруженный, связанный с отстаиванием индивидуальности.В значимости противоположность уникальной этому человеческой «естественнонаучный» традиционно рассматривается как ценностно нейтральный.
Основные направления современного естествознания в фундаментальной и прикладной науке.
Основные этапы истории физики и технической цивилизации.
ПРЕДЫСТОРИЯ ФИЗИКИ (от древнейших времен до ХVII в.)
Эпоха античности (VI в. до н. э.– V в. н. э.).
Средние века (VI – ХIV вв.).
Эпоха Возрождения (ХV – ХVI вв.).
ПЕРИОД СТАНОВЛЕНИЯ ФИЗИКИ КАК НАУКИ
Начало ХVII в.– 80-е гг. ХVII в.
ПЕРИОД КЛАССИЧЕСКОЙ ФИЗИКИ (конец XVII в.– начало ХХ в.)
Первый этап (конец ХVII в. – 60-е гг. ХIХ в.).
Второй этап (60-е гг. ХIХ в.– 1894 г.).
Третий этап (1895 – 1904).
ПЕРИОД СОВРЕМЕННОЙ ФИЗИКИ (с 1905)
Первый этап (1905 – 1931).
Второй этап (1932-1954).
Третий этап (с 1955).
==========================================================
Техническая цивилизация - это такая цивилизация, которая для удовлетворения любой индивидуальной или коллективной потребности человека обязательно создаст технику (машинный комплекс), который и будет производить продукт, удовлетворяющий эту потребность. Это громоздкий лобовой способ - на всё предусмотреть машину.
Относительность и приближенность, как черты физического метода познания. Принципы симметрии в физике.
При́нцип относи́тельности — фундаментальный физический принцип, согласно которому все физические процессы в инерциальных системах отсчёта протекают одинаково, независимо от того, неподвижна ли система или она находится в состоянии равномерного и прямолинейного движения.
Отсюда следует, что все законы природы одинаковы во всех инерциальных системах отсчёта.[1]
Различают принцип относительности Эйнштейна (который приведён выше) и принцип относительности Галилея, который утверждает то же самое, но не для всех законов природы, а только для законов классической механики, подразумевая применимость преобразований Галилея, оставляя открытым вопрос о применимости принципа относительности к оптике и электродинамике.
В современной литературе принцип относительности в его применении к инерциальным системам отсчета (чаще всего при отсутствии гравитации или при пренебрежении ею) обычно выступает терминологически как лоренц-ковариантность (или лоренц-инвариантность).
|
Симме́три́я (симметрии) — одно из фундаментальных понятий в современной физике, играющее важнейшую роль в формулировке современных физических теорий. Симметрии, учитываемые в физике, довольно разнообразны, начиная с симметрий обычного трёхмерного «физического пространства» (такими, например, как зеркальная симметрия), продолжая более абстрактными и менее наглядными (такими как калибровочная инвариантность).
Некоторые симметрии в современной физике считаются точными, другие — лишь приближёнными. Также важную роль играет концепция спонтанного нарушения симметрии.
Исторически использование симметрии в физике прослеживается с древности, но наиболее революционным для физики в целом, по-видимому, стало применение такого принципа симметрии, как принцип относительности (как у Галилея, так и у Пуанкаре — Лоренца — Эйнштейна), ставшего затем как бы образцом для введения и использования в теорфизике других принципов симметрии (первым из которых стал, по-видимому, принцип общей ковариантности, являющимся достаточно прямым расширением принципа относительности и приведшего к общей теории относительности Эйнштейна).
Метод моделей в физике, технике, гуманитарных науках.
Корпускулярная и континуальная концепции описания природы.
Одним из наиболее важных вопросов как философии, так и естествознания является проблема материи. Представления о строении материи нашли свое выражение в борьбе двух концепций: прерывности (дискретности) материи – корпускулярная концепция, и непрерывности (континуальности) материи – континуальная концепция. С ними тесно связаны проблемы взаимодействия материальных объектов, которые проявляются как концепции близкодействия (передача действия от точки к точке) и дальнодействия (передача действия без физической среды).
Корпускулярная концепция опирается на идеи Демокрита, отождествившего пространство с пустотой и приписавшего пустоте индивидуальное существование. По Демокриту пространство есть то, что существует само по себе, независимо от материи и является "вместилищем" тел. Оно может быть заполнено телами, а может быть абсолютно пустым в виде особого реального объекта. Ньютон в своей механике эту идею развил до четкого представления об абсолютном пространстве и абсолютном времени, которые не зависят друг от друга и не связаны с материей. Ньютон разработал концепцию прерывности. Его подход основывался на признании дальнодействующих сил. В 1672-1676 годах он распространил атомистику на световые явления и создал корпускулярную теорию света. По своему мировоззрению Ньютон был вторым после Декарта великим представителем механистического материализма в естествознании XVII-XVIII веков. Декарт стремился построить общую картину природы, в которой все явления объяснялись как результат движения больших и малых частиц, образованных из единой материи. Недостатки механистической атомистики:
– отсутствие достоверного экспериментального материала;
– атомы рассматривались как частицы, лишенные возможности превращения;
– единственной формой движения принималось механическое движение.
Сложившиеся к началу XIX века представления о строении материи были односторонними и не давали возможности объяснить ряд экспериментальных фактов. Разработанная М. Фарадеем и Дж. Максвеллом в XIX веке теория электромагнитного поля показала, что признанная концепция не может быть единственной для объяснения структуры материи. В своих работах М. Фарадей и Дж. Максвелл показали, что поле – это самостоятельная физическая реальность. Таким образом, в науке произошла определенная переоценка основополагающих принципов, в результате которой обоснованное Ньютоном дальнодействие заменялось близкодействием, а вместо представлений о дискретности выдвигалась идея непрерывности, получившая свое выражение в электромагнитных полях, т.е. развитие получила континуальная концепция.
Двойственность описание природы особенно проявляется при рассмотрении пространственных и временных свойств материи. На эмпирическом уровне познания мира понятие пространства позволяет описывать порядок сосуществования материальных объектов по признакам "слева – справа", "дальше – ближе", "сверху – снизу", "больше по размерам – меньше". Понятие времени выражает порядок смены событий по признаку "раньше – позже". Пространство и время органически связаны с материей, не могут существовать самостоятельно, обособленно от нее. Основы такого взгляда заложил Аристотель и развил Г. В. Лейбниц (1646-1716). Дальнейшее углубление этого представления о пространстве и времени осуществил Эйнштейн в теории относительности.
В современной физике строго доказано, что пространство и время неразрывно связаны между собой, то есть составляют единое четырехмерное пространство-время и наш мир, следовательно, четырехмерен. Это доказательство осуществлено Эйнштейном в рамках специальной теории относительности. В общей теории относительности установлена количественная связь геометрических свойств (метрики) пространства-времени с материей. Вблизи тяготеющих масс пространство-время "искривляется" и уже не является привычным для нас используемым в классической физике (так называемым эвклидовым). Это представление о четырехмерном пространстве-времени эффективно "работает" в масштабах от размеров видимой Вселенной до размеров элементарных частиц.
Порядок и беспорядок в природе, переход между этими состояниями.
Порядок – регулярное (периодическое) расположение частиц, объектов, предметов по всему занимаемому пространству (объему); последовательный ход чего-нибудь; правила, по которым совершается что-нибудь; числовая характеристика той или иной величины. Это исходное понятие теории систем, означающее определенное расположение элементов или их последовательность во времени. Хаос (греч.) – полный беспорядок, нарушение последовательности, стройности, неразбериха, неопределенное состояние вещества. В физику понятие хаоса ввели Больцман и Гиббс.
Многие считают, что эти понятия не имеют отношения к реальной картине Мира и придают им оценочное (эмоциальное) значение. Относительность этих понятий очевидна. Ночью, взглянув на небо, мы видим хаос из блестящих точек. Но, взглянув на небо в телескоп, мы понимаем, что там есть порядок в виде звездных систем, галактик и т.д. По мнению древних греков, космос характеризовался такими словами, как порядок, гармония, красота, и выполнял две функции – упорядочивающую и эстетическую, т.е. имел структурную организацию и одухотворенность. Происхождение космоса – акт творения его из беспорядка (хаоса), представлялся как процесс "лепки", совершаемой божественным умом. Философ Анаксагор писал: "Все вещи были вперемешку, бесконечные по множеству и по малости, так как и малость была бесконечной. И пока все было вперемешку, ничто не было ясно различимо: все обнимал аэр (туман) и эфир, оба бесконечные. Ибо изо всех тел, которые содержатся во Вселенной, эти два самые большие и по малости и по величине. Ум же есть нечто неограниченное и самовластное и не смешан ни с одной вещью, но единственный сам по себе... И совокупным круговращением мира правит ум, так что благодаря ему круговращение вообще началось".
Структурные уровни организации материи, иерархические системы.
на каждом структурном уровне материи существуют особые (эмерджентные) свойства, отсутствующие на других уровнях. Внутри каждого из структурных уровней существуют отношения субординации, например, молекулярный уровень включает атомарный, а не наоборот. Всякая высшая форма возникает на основе низшей, включает ее в себя в снятом виде. Это означает, по существу, что специфика высших форм может быть познана только на основе анализа структур низших форм. И наоборот, сущность формы низшего порядка может быть познана только на основе содержания высшей по отношению к ней формы материи.
В естественных науках выделяются два больших класса материальных систем: системы неживой природы и системы живой природы. В неживой природе структурными уровнями организации материи являются:
· вакуум (поля с минимальной энергией);
· поля и элементарные частицы;
· атомы;
· молекулы;
· макроскопические тела;
· планеты и планетные системы;
· звезды и звездные системы;
· галактики;
· метагалактика (наблюдаемая часть Вселенной);
· Вселенная.
В живой природе выделяют два важнейших структурных уровня организации материи – биологический и социальный. Биологический уровень включает:
· доклеточный уровень (белки и нуклеиновые кислоты);
· клетку как "кирпичик" живого и одноклеточные организмы;
· многоклеточный организм, его органы и ткани;
· популяцию – совокупность особей одного вида, занимающих определенную территорию, свободно скрещивающихся между собой и частично или полностью изолированных от других групп своего вида;
· биоценоз – совокупность популяций, при которой продукты жизнедеятельности одних являются условиями существования других организмов, населяющих определенный участок суши или воды;
· биосферу – живое вещество планеты (совокупность всех живых организмов, включая человека).
На определенном этапе развития жизни на Земле возник разум, благодаря которому появился социальный структурный уровень материи. На этом уровне выделяются: индивид, семья, коллектив, социальная группа, класс и нация, государство, цивилизация, человечество в целом.
По другому критерию – масштабам представления – в естествознании выделяют три основных структурных уровня материи:
· микромир – мир предельно малых, непосредственно не наблюдаемых микрообъектов, пространственная размерность которых исчисляется от 10-8 до 10-16 см, а время жизни – от бесконечности до 10-24 секунды;
· макромир – мир макрообъектов, соизмеримых с человеком и его опытом. Пространственные величины макрообъектов выражаются в миллиметрах, сантиметрах и километрах (10-6–107 см), а время – в секундах, минутах, часах, годах, веках;
· мегамир – мир огромных космических масштабов и скоростей, расстояния в котором измеряются астрономическими единицами, световыми годами и парсеками (до 1028 см), а время существования космических объектов – миллионами и миллиардами лет.
Детерминизм и роль траектории в механике, его значение в других областях.
Детерминизм-учение о том, что все происходящие в мире события, включая весь ход человеческой жизни, определены со стороны Бога (теологический детерминизм, или учение о предопределении), или только явлений природы (космологический детерминизм), или специально человеческой воли (антропологическо-этический детерминизм), для свободы которой, как и для ответственности, не оставалось бы тогда места. Под определяемостью здесь подразумевается философское утверждение, что каждое произошедшее событие, включая и человеческие поступки, и поведение, однозначно определяется множеством причин, непосредственно предшествующих данному событию. В таком свете детерминизм может быть также определен как тезис, утверждающий, что имеется только одно, точно заданное, возможное будущее.
Детерминизм может перейти, при неполном истолковании, в фатализм. Траектория— линия в трёхмерном пространстве, представляющая собой множество точек, в которых находилась, находится или будет находиться материальная точка при своём перемещении в пространстве. Существенно, что понятие о траектории имеет физический смысл даже при отсутствии какого-либо по ней движения. Кроме того, и при наличии движущегося по ней объекта, траектория сама по себе не может ничего определённого сказать в отношении причин его движения, то есть о действующих на него силах.
Не менее существенно, что форма траектории неотрывно связана и зависит от конкретной системой отсчёта, в которой описывается движение. Противоположность — индетерминизм. Описание траектории Принято описывать траекторию материальной точки при помощи радиус-вектора, направление, длина и начальная точка которого зависят от времени. При этом кривая, описываемая концом радиус-вектора в пространстве может быть представлена в виде сопряжённых дуг различной кривизны, находящихся в общем случае в пересекающихся плоскостях. При этом кривизна каждой дуги определяется её радиусом кривизны, направленном к дуге из мгновенного центра поворота, находящегося в той же плоскости, что и сама дуга. При том прямая линия рассматривается как предельный случай кривой, радиус кривизны которой может считаться равным бесконечности.И потому траектория в общем случае может быть представлена как совокупность сопряжённых дуг.
Существенно, что форма траектории зависит от системы отсчёта, избранной для описания движения материальной точки. Так прямолинейное движение в инерциальной системе в общем случае будет параболическим в равномерно ускоряющейся системе отсчёта.
Область применимости классической механики.
Основные понятия кинематики. Понятия состояния в механике, естествознании, гуманитарной сфере.
Кинема́тика (греч. κινειν — двигаться) в физике — раздел механики, изучающий математическое описание (средствами геометрии, алгебры, математического анализа…) движения идеализированных тел (материальная точка, абсолютно твердое тело, идеальная жидкость), без рассмотрения причин движения (массы, сил и т. д.). Исходные понятия кинематики — пространство и время. Например, если тело движется по окружности, то кинематика предсказывает необходимость существования центростремительного ускорения без уточнения того, какую природу имеет сила, его порождающая. Причинами возникновения механического движения занимается другой раздел механики — динамика.
Различают классическую кинематику, в которой пространственные (длины отрезков) и временные (промежутки времени) характеристики движения считаются абсолютными, то есть не зависящими от выбора системы отсчёта, и релятивистскую. В последней длины отрезков и промежутки времени между двумя событиями могут изменяться при переходе от одной системы отсчёта к другой. Относительной становится также одновременность. В релятивистской механике вместо отдельных понятий пространство и время вводится понятие пространства-времени, в котором инвариантным относительно преобразований Лоренца является величина, называемая интервалом.
Квантовое состояние — любое возможное состояние, в котором может находиться квантовая система. Чистое квантовое состояние может быть описано:
В волновой механике — волновой функцией,
В матричной механике — вектором состояния, или полным набором квантовых чисел для определённой системы.
Эти описания математически эквивалентны. В общем случае квантовое состояние (смешанное) принципиально не может быть описано волновой функцией и должно быть описано матрицей плотности, являющейся неотрицательным самосопряженным оператором с единичным следом. Квантовые состояния можно интерпретировать как статистические ансамбли с некоторыми фиксированными квантовыми числами.
Законы Ньютона, общность понятия инерции.