Становление современной физической картины мира

В конце XIX в. и начале ХХ в. в естествознании были сделаны крупнейшие открытия, которые коренным образом изменили наши представления о картине мира. Прежде всего, это открытия, связанные со строением вещества, и открытия взаимосвязи вещества и энергии. Если раньше последними неделимыми частицами материи, из которых состоит природа, считались атомы, то в конце XIX в. были открыты электроны, входящие в состав атомов. Позднее было установлено строение ядер атомов, состоящих из протонов (положительно заряженных частиц) и нейтронов (лишённых заряда частиц).

Согласно первой модели атома, построенной английским учёным Эрнестом Резерфордом (1871-1937), атом уподоблялся миниатюрной солнечной системе, в которой вокруг ядра вращаются электроны. Такая система была, однако, неустойчивой: вращающиеся электроны, теряя свою энергию, в конце концов, должны были упасть на ядро. Но опыт показывает, что атомы являются весьма устойчивыми образованиями и для их разрушения требуются огромные силы. В связи с этим прежняя модель строения атома была значительно усовершенствована выдающимся физиком Нильсом Бором (1885-1962), который предположил, что при вращении по так называемым стационарным орбитам электроны не излучают энергию. Такая энергия излучается или поглощается в виде кванта, или порции энергии, только при переходе электрона с одной орбиты на другую.

В 30-е годы XX в. было сделано другое важнейшее открытие, которое показало, что все элементарные частицы вещества, например электроны, обладают не только корпускулярными, но и волновыми свойствами. Таким путём было доказано экспериментально, что между веществом и полем не существует непроходимой границы: в определённых условиях элементарные частицы вещества обнаруживают волновые свойства, а частицы поля -свойства корпускул. Это явление получило название дуализма волны и частицы - представление, которое никак не укладывалось в рамки обычного здравого смысла. До этого физики придерживались убеждения, что вещество, состоящее из разнообразных материальных частиц, может обладать лишь корпускулярными свойствами, а энергия поля - волновыми свойствами. Соединение в одном объекте корпускулярных и волновых свойств совершенно исключалось. Но под давлением неопровержимых экспериментальных результатов учёные вынуждены были признать, что микрочастицы одновременно обладают как свойствами корпускул, так и волн.

Так сложились новые, квантово-полевые представления о материи, которые определяются как корпускулярно-волновой дуализм - наличие у каждого элемента материи свойств волны и частицы. Ушли в прошлое и представления о неизменности материи. Одной из основных особенностей элементарных частиц является их универсальная взаимозависимость и взаимопревращаемость. В современной физике основным материальным объектом является квантовое поле, переход его из одного состояния в другое меняет число частиц.

Окончательно утверждаются представления об относительности пространства и времени, зависимость их от материи. Пространство и время перестают быть независимыми друг от друга и, согласно теории относительности, сливаются в едином четырехмерном пространственно-временном континууме.

Эти новые мировоззренческие подходы к исследованию естественно-научной картины мира оказали значительное влияние как на конкретный характер познания в отдельных отраслях естествознания, так и на понимание природы, научных революций в естествознании. А ведь именно с революционными преобразованиями в естествознании связано изменение представлений о картине природы.

41.

Современные научные представления о структуре атома.

Кварковая модель атома. Кварк — частица с дробным электрическим зарядом.

Каждый атом состоит из тяжёлого ядра и электронной оболочки. Число протонов в ядре равно порядковому номеру в периодической таблице химических элементов Д.И.Менделеева. Протон имеет положительный электрический заряд, массу в 1836 раз больше массы электрона, размеры порядка 10-13см. Электрический заряд нейтрона равен 0. Протон, согласно кварковой гипотезе, состоит из двух «верхних» кварков и одного «нижнего», а нейтрон из одного «верхнего» и двух «нижних» кварков. Их нельзя представить в виде твёрдого шарика, скорее, они напоминают облако с размытыми границами, состоящее из рождающихся и исчезающих виртуальных частиц.

42.

Хи́мия — одна из важнейших и обширных областей естествознания, наука о веществах, их свойствах, строении и превращениях, происходящих в результате химических реакций, а также фундаментальных законах, которым эти превращения подчиняются.

Предмет химии — химические элементы и их соединения, а также закономерности, которым подчиняются различные химические реакции.

Современная химия является одной из самых обширных дисциплин среди всех естественных наук.

Практическое применение химической теории сводится к решению трех основных проблем:

1. Получения максимального количества вещества с заданными свойствами с минимальными затратами исходных веществ и энергии на осуществление процесса;

2. Получения максимального количества энергии (теплоты или электричества) для дальнейшего ее использования;

3. Осуществления всех химических процессов с оптимальной скоростью.

43.

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 с.

Фундаментальные частицы – по современным представлениям, не имеющие внутренней структуры и конечных размеров (например, кварки, лептоны)

Принцип Паули (частицы с полуцелым спином не могут одновременно находиться в одном и том же состоянии, например, в атоме не может быть электронов, у которых все квантовые числа одинаковы)

Классификация элементарных частиц:

- по массе: с нулевой массой (фотон); лёгкие (лептоны); тяжёлые (адроны)

- по времени жизни: стабильные

- по зарядам (электрическому, цветовому, гравитационному – масса)

Бозонная природа частиц-переносчиков фундаментальных взаимодействий (частицы-переносчики являются бозонами, т.е. у них целочисленные спины)

Вещество как совокупность устойчивых фермионных структур (кварки — нуклоны — атомные ядра — атомы с их электронными оболочками)

Размеры и масса ядра в сравнении с атомом (масса ядра составляет большую часть массы атома, размеры ядра малы по сравнению с размерами атома) Виртуальные частицы (это частицы, существующие очень короткое время, поэтому их нельзя зарегистрировать)

Физическое поле как совокупность реальных и виртуальных частиц

Физический вакуум как наинизшее энергетическое состояние физических полей, в котором отсутствуют реальные частицы

44.

Особенностью организации живой материи является ее многоуровневая структура, в которой первый уровень — организменный уровень, занимают живые организмы, одноклеточные и многоклеточные. Этот уровень называется организменным, т.к. рассматриваются отдельные организмы, без учета их связей и взаимодействий с другими. Минимальной живой системой на этом уровне является клетка.

Остальные уровни организации живого являются надорганизменными, т.е. они включают не только организмы, но и связи и взаимодействия между собой и окружающей средой:1. Первый уровень — популяционный уровень. Этот уровень включает в себя совокупность особей одного вида, которые имеют единый генофонд и занимают единую территорию.2. Второй уровень составляют различные системы популяций, которые называют биоценозами.3. Третий уровень организации содержит в качестве элементов разные биоценозы и в еще большей степени зависит от многочисленных земных условий. 4. Четвертый уровень организации возникает из объединения самых разнообразных биогеоценозов, и называются биосферой.

45.

Синергетика – теория самоорганизации.

Это новая наука, возникшая в 50е годы 20в, ее основателями явл Пригожин и Хакен.

Главная идея синергетики – это идея о принципиальной возможности спонтанного возникновения порядка и организации из беспорядка и хаоса в результате процесса самоорганизации. Решающим фактором самоорганизации является образование петли положительной обратной связи системы и среды. Система начинает самоорганизовываться и противостоит тенденции ее разрушения средой. Становление самоорганизации определяется характером взаимодействия случайных и необходимых факторов системы и ее среды.

Образование упорядоченных структур, происходящие не за счет действия внешних сил (факторов), а в результате внутренней перестройки системы, называется самоорганизацией. Самоорганизация - фундаментальное понятие, указывающее на развитие в направлении от менее сложных объектов к более сложным и упорядоченным формам организации вещества.

46.

Квантовая механика — это теория, которая устанавливает способ описания и законы движения микрочастиц (элементарных частиц, атомов, молекул, атомных ядер) и их систем, а также связь величин, характеризующих частицы и их системы, с физическими величинами, непосредственно измеряемыми на опыте.

Для классической механики характерно описание частиц путем задания их положения в пространстве (координат) и скоростей и зависимости этих величин от времени. Опыт показал, что такое описание частиц не всегда справедливо, в частности, оно не применимо для описания микрочастиц.

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

Нерелятивисткая квантовая механика (как и механика Ньютона для своей области применимости) - это законченная и логически непротиворечивая фундаментальная физическая теория.

Релятивистская квантовая механика не является в такой степени завершенной и свободной от противоречий теорией.

47.

Энтропия — это сокращение доступной энергии вещества в результате передачи энергии.

Возрастание энтропии является характерным признаком естественных процессов и соответствует запасанию энергии при более низких температурах. Аналогично можно

сказать, что естественное направление процессов изменения характеризуется понижением качества энергии.

Первое начало термодинамики утверждает, что энергия изолированной системы (а возможно, и всей Вселенной) остается постоянной. Поэтому, сжигая ископаемое топливо - уголь, нефть, уран - мы не уменьшаем общих запасов энергии. В этом смысле энергетический кризис вообще невозможен, так как энергия в мире всегда будет оставаться неизменной. Однако, сжигая горсть угля и каплю нефти, мы увеличиваем энтропию мира, поскольку все названные процессы протекают самопроизвольно. Любое действие приводит к понижению качества энергии Вселенной. Поскольку в промышленно развитом обществе процесс использования ресурсов стремительно ускоряется, то энтропия Вселенной неуклонно возрастает.

Принцип возрастания энтропии сводится к утверждению, что энтропия изолированных систем неизменно возрастает при всяком изменении их состояния и остается постоянной лишь при обратимом течении процессов:

В действительности принципы существования и возрастания энтропии ничего общего не имеют.

Дата добавления: 2015-05-09