ЕСТЕСТВЕННАЯ И ГУМАНИТАРНАЯ КУЛЬТУРЫ

ЕСТЕСТВЕННАЯ И ГУМАНИТАРНАЯ КУЛЬТУРЫ.

Под культурой принято понимать все то, что создано человечеством в ходе его истории, в отличие от природных процессов и явлений. Главная отличительная черта системы человеческой культуры состоит в том, что она созидается человеческим трудом. А процесс труда всегда осуществляется при непосредственном участии и направляющем воздействии сознания человека, его мышления, знаний, чувств, воли. Значит культура – это «опредмеченный» мир человеческой духовности.

Понятие культуры очень широкое. Оно охватывает бесконечное множество самых разнообразных вещей и процессов, связанных с деятельностью человека и ее результатами. Многообразную систему современной культуры в зависимости от целей деятельности принято подразделять на естественную культуру и гуманитарную (духовную) культуру.

Естествознание – это знание обо всем, что действительно существует, или может существовать во Вселенной. Оно не является окончательным итогом знаний о природе, а лишь тем, что известно человечеству на данном этапе развития. Это система естественнонаучных знаний, создаваемая естественными науками в процессе изучения фундаментальных законов развития природы и Вселенной в целом. Естественные науки изучают явления, процессы и объекты материального мира. В естествознании изучаются природные вещи и процессы. Часть из них не связана с деятельностью человека, часть появилась благодаря человеку. Так химики синтезируют вещества, которые не существуют в природе. Немецкий биолог Эрнст Геккель (1834-1919) в своей книге «Мировые загадки» в 1899 году указал на группу проблем, которые являются предметом изучения всех естественных наук как единой системы естественнонаучных знаний: Как возникла Вселенная? Какие виды физического взаимодействия действуют в мире и имеют ли они единую физическую природу? Из чего в конечном итоге состоит все в мире? Чем отличается живое от неживого, и каково место человека в бесконечно изменяющейся Вселенной.

Итак, естествознание изучает разнообразные вопросы: от происхождения Вселенной до познания молекулярных механизмов существования жизни.

В настоящее время в систему естественных наук помимо основных наук: физики, химии и биологии, включаются множество других наук: география, геология, астрономия и даже науки, стоящие на границе между естественными и гуманитарными науками – например, психология. Целью психологов является изучение поведения человека и животных. Поэтому психологи опираются на научные достижения биологов, работающих в области физиологии высшей нервной деятельности и наблюдающих за деятельностью мозга. Естествознание изучает человека как материальное, биологическое существо.

К гуманитарной культуре мы относим достижения искусства – музыку, живопись, литературу, а также религию во всем многообразии ее сект и конфессий. Гуманитарная культура связана с деятельностью, направленной на удовлетворение не материальных, а духовных потребностей человека – в развитии, совершенствовании внутреннего мира человека, его сознания, психологии, мышления, знаний, эмоций и др.

Продуктами духовного производства являются идеи, понятия, представления, научные гипотезы, теории, художественные образы, сюжеты художественных произведений, моральные нормы и правовые законы, политические взгляды и программы, религиозные воззрения, которые воплощаются в своих особых материальных носителях: языке, книгах, произведениях искусства.

Гуманитарные науки изучают законы развития общества и человека как социального, духовного существа. К ним относятся история, право, экономика и другие аналогичные науки. В отличие от биологии, где человек рассматривается как биологический вид, в гуманитарных науках речь идет о человеке как творческом, духовном существе. В гуманитаристике изучают поступки людей, их целевые ориентиры и ценностные убеждения. В отличие от явлений, изучаемых в естествознании, поступки людей имеют ценностное содержание. Ценности ответственности, свободы, демократии, ненасилия являются творениями людей, их невозможно обнаружить в том мире вещей и процессов, которые входят в компетенцию естествознания. Ценности не находятся в природе, они изобретаются людьми. Многие ученые отказали гуманитарным дисциплинам в научности. Им казалось, что в гуманитаристике нет столь же надежной основы, как в естествознании. Знаменитый философ Витгенштейн восклицал, что в мире «нет ценности, а если бы она была, то не имела бы ценности». По Витгенштейну, наука должна иметь дело с фактами, а не с ценностями. Если, мол, даже есть ценности, то они не для кого не являются обязательными. Таблицу умножения должны признавать все, здесь все бесспорно. А вот с ценностями все обстоит иначе: невозможно с такой же непреложностью, как 2х2=4, доказать кому-либо, что ему следует быть справедливым, он всегда может быть справедливым, он всегда может возразить: «Я считаю иначе». Гуманитаристика – область чувств, оценивающих поступки.

По предмету исследования науки делятся не только на естественные и гуманитарные, но и на технические.

Технические науки - это знания, которые необходимы человеку для создания так называемой «второй природы», мира зданий, сооружений, коммуникаций, искусственных источников энергии и т.д. К техническим наукам относятся космонавтика, электроника, энергетика и ряд аналогичных наук. Создаваемые на основе знаний технических наук системы учитывают знания из области естественных и гуманитарных наук.

Изучая гуманитарные науки, мы должны представлять их взаимосвязь с науками, изучающими природу. Экономистам не обойтись без знания географии и математики. Социологи взаимодействуют с психологами, а реставраторы пользуются достижениями современной химии. В этой связи можно говорить о единстве естествознания и гуманитаристики. В силу этого единства наука, будучи органическим целым, не распадается на составные части. Усвоивший единые для науки тенденции способен проводить токи знания от естествознания к гуманитаристике и наоборот. Выдающийся ученый фон Нейман внес существенный вклад в развитие, как экономической науки, так и физики: в обоих случаях он использовал вероятностные представления. Бельгийский ученый И.Пригожин, изучая термодинамические явления, выявил такие закономерности, которые при известной модификации оказались весьма существенными для всего корпуса естественнонаучных дисциплин. Идея относительности А.Эйнштейна в самых различных обличьях была перенесена в модифицированном виде на все гуманитарные науки. Несколько десятков лет назад по пальцам можно было пересчитать естествоиспытателей, которых бы интересовали проблемы этики, гуманитарные науки. В наши дни вопрос об ответственности естествоиспытателей становится в науке одним из центральных, а это означает, что идеи гуманитаристики проникают в естествознание. Сказанное позволяет ставить вопрос о взаимодополнительности естествознания и гуманитаристики.

Естественная и гуманитарная культуры создавались посредством различных способов познания. Известно три способа познания: аналитический – наука, чувственный, художественный – искусство и реконструктивно-пророческий – религия. Все эти три способа познания и определяемые ими области знаний имеют взаимное пересечение. Искусство опирается не только на принципы красоты и гармонии, но и зачастую на религиозное мировоззрение, дающее творческий импульс, и использует для достижения своих целей научные методы. Религиозные доктрины в процессе своего становления использовали не только искусство, но и своеобразные научные приемы. Наука требует не только красоты теоретических построений, но и рациональной веры в справедливость исходных положений.

Возраст естествознания таков же, как и у человеческого рода. С незапамятных времен в своих взаимоотношениях с природой люди руководствовались опытом и основанными на нем знаниями. Но понадобились столетия, прежде чем естествознание стало научным. Бурное накопление знаний о природе принесло с собой не только позитивные результаты. Уже к середине прошлого века человеческая культура стала все больше утрачивать свою универсальность, в ней обозначились естественнонаучная и гуманитарная составляющие. На практике это привело к тому, что принимаемые государственно-политические, социально-экономические и производственно-технологические решения все чаще в должной мере не учитывали либо природных, либо социальных последствий. Есть основания говорить о том, что обособление естественнонаучной и гуманитарной культур стало одной из причин как антропогенных катастроф ХХ столетия, так и обострения глобальных проблем современности, особенно экологической.

Необходимым, хотя и недостаточным средством преодоления тенденции к дезинтеграции человеческой культуры является и улучшение гуманитарного образования специалистов и ученых в области естественных и технических наук и естественнонаучного образования представителей социально-гуманитарных дисциплин. В этом контексте и было принято решение о введении в государственные образовательные стандарты высшего профессионального образования новой учебной дисциплины, получившей название «Концепции современного естествознания».

Знание концепций современного естествознания поможет многим понять и представить, каких материальных и интеллектуальных затрат стоят современные исследования, позволяющие проникнуть внутрь микромира и освоить космос, какой ценой дается высокое качество изображения современного телевидения, как чрезвычайно важна проблема сохранения природы.

Профессиональная целесообразность изучения основ естествознания в одинаковой мере касается менеджеров, экономистов, финансистов и юристов. Предположим, что руководитель какого-то предприятия привлечен к ответственности за нарушение экологических норм – выброс в атмосферу в больших количествах оксидов серы, которые являются источником кислотных осадков, губительно влияющих на живую природу. Мера наказания будет зависеть от того, насколько объективно и квалифицировано сделана правовая оценка действий руководителя. Наряду с правовыми знаниями владение последними достижениями современных технологий, позволяющими существенно сократить выброс в атмосферу вредных газов, поможет юристу оценить степень нарушения и причастность к нему тех или иных конкретных лиц.

Курс «Концепции современного естествознания» по своей основной направленности является метанаучным. Метанаука есть осмысление науки. Но осмысление той или иной науки предполагает анализ ее основных принципов, главных положений. Анализ оснований естествознания – задача не из легких. С одной стороны, необходимо показать сущность концепции естествознания, позволяющие людям объяснять самые загадочные явления природы. С другой стороны, следует понять, почему изобретаются новые теории, основания которых иные, чем у устаревших концепций. Концептуальный принцип, положенный в основу дисциплины «Концепции современного естествознания», позволяет на уровне основополагающих идей и системного подхода сформировать естественно-научное мировоззрение.

Отличительным свойством естествознания является то, что оно исследует одни и те же природные явления сразу с позиций нескольких наук, выискивая наиболее общие тенденции и закономерности. Естествознание имеет главной своей целью изучение природы как единого целого.

Разделение всех наук по предмету изучения на естественные, гуманитарные и технические сталкивается с определенной трудностью: к каким наукам относится, например, математика. Математика, как отмечал один из основателей квантовой механики английский физик Дирак (1902-1984), - это орудие, специально приспособленное для того, чтобы иметь дело с отвлеченными понятиями любого вида, и в этой области нет предела ее могуществу. Знаменитому немецкому философу Канту (1724-1804) принадлежит такое утверждение: в науке столько науки, сколько в ней математики. Особенность современной науки проявляется в широком применении в ней логических и математических методов.

Исследователи, изучающие науку в целом, выделяют четыре формы исторического развития науки: доклассическую, классическую, неклассическую и постнеклассическую.

Первый этап развития науки – этап доклассической науки: фундаментальные зёрна физики и естествознания в целом были посеяны ещё в глубокой древности в период от IV в. до н. э. до конца 16 века. Этап доклассичекой науки открывает геоцентрическая система мира Аристотеля.

Классической наукой называют науку от до начала ХХ в., имея в виду научные идеалы, задачи науки и понимание научного метода, характерные для науки до начала прошлого века. Это, прежде всего вера многих ученых того времени в рациональное устройство окружающего мира и в возможность точного причинно-следственного описания событий в материальном мире. Классическая наука исследовала две господствующие в природе физические силы: силу тяготения и электромагнитную силу. Механическая, физическая и электромагнитная картины мира, а также концепция энергии, основанная на классической термодинамике, являются типичными обобщениями классической науки. Этот этап развития науки связывают с работами итальянского учёного Галилео Галилея и трудами английского математика, механика, астронома и физика Исаака Ньютона, основоположника классической механики. Второй этап длился около трёх веков до начала ХХ в.

Этап классической физики характеризуется крупными достижениями не только в классической механике, но и в других отраслях: термодинамике, молекулярной физике, оптике, электричестве, магнетизме и т.п. Назовём важнейшие из них:

• установлены газовые законы;

• предложено уравнение кинетической теории газов;

• сформулирован принцип равномерного распределения энергии по

степеням свободы, первое и второе начала термодинамики;

• открыты законы Кулона, Ома и электромагнитной индукции;

• разработана электромагнитная теория;

• явления интерференции, дифракции и поляризации света получили

волновое истолкование;

• сформулированы законы поглощения и рассеяния света.

Неклассическая наука – это наука первой половины прошлого века. Теория относительности и квантовая механика являются базовыми теориями неклассической науки. В этот период разрабатывается вероятностная трактовка физических законов: абсолютно точно нельзя предсказать траекторию движения частиц в квантовых системах микромира.

Постнеклассическая наука – наука конца ХХ в. и начала нынешнего века. В этот период обращают большое внимание на исследование сложных развивающихся систем живой и неживой природы. Постнеклассическая наука имеет дело с объектами, прогноз поведения которых с некоторого момента становится невозможным, т.е. в этот момент происходит действие случайного фактора. Такие объекты обнаружены физикой, химией, биологией и астрономией. Ведущее направление постнеклассической науки – синергетика (синергетика в переводе с греческого означает совместные действия).

В современном естествознании множество материальных систем принято условно делить на микромир, макромир и мегамир. К микромиру относятся молекулы, атомы и элементарные частицы. Материальные объекты, состоящие из огромного числа атомов и молекул, образуют макромир. Самую крупную систему материальных объектов составляет мегамир – мир планет, звёзд, галактик и Вселенной.

Материальные объекты микро-, макро- и мегамира различаются между собой размерами, характером доминирующих процессов и законов, которым они подчиняются. Отношение самого большого размера (радиус космологического горизонта или наблюдаемой Вселенной – 1026 м) к самому малому (минимальное расстояние, доступное современным средствам измерений –10-18м), составляющее сегодня 44 порядка, возрастало и будет возрастать по мере накопления естественно-научных знаний об окружающем мире.

Важнейшая концепция современного естествознания заключается в материальном единстве всех систем микро-, макро- и мегамира. Свойства и особенности материальных объектов микро-, макро- и мегамира опиыавются разными теориями, принципами и законами. При объяснении процессов в микромире используются принципы и теории квантовой механики, квантовой статистики. Изучение материальных объектов макросистем основано на законах и теориях классической механики Ньютона, термодинамики и статистической физики, классической электродинамикой Максвелла. Движение планет Солнечной системы описывается законом всемирного тяготения и законами Кеплера. Происхождение и эволюция Вселенной объясняются на основании комплекса естественно-научных знаний, включающих физику элементарных частиц, квантовую теорию поля, теорию относительности.

Методы и приемы естественно-научного познания.

Метод – это совокупность приемов или операций практической или теоретической деятельности. Метод неразрывно связан с теорией: любая система объективного знания может стать методом. Научный метод – это способ организации средств познания (приборов, инструментов, приемов и др.) для достижения научной истины. Научный метод рационализирует и оптимизирует научное познание. В естествознании применяется много научных методов познания: наблюдение, эксперимент, индукция, дедукция, анализ, синтез, измерение, сравнение, идеализация, моделирование, аксиоматизация и др.

В структуре естественно-научного познания четко выделяются два уровня познавательной деятельности – эмпирический и теоретический. К эмпирическому уровню относятся приемы, методы и формы познания, связанные с непосредственным отражением объекта, материально-чувственным взаимодействием с ним человека. На этом уровне происходит накопление, фиксация, группировка и обобщение исходного материала для построения теоретического знания. К эмпирическому уровню относятся наблюдение, эксперимент, моделирование, измерение и др.

К теоретическому уровню относятся все те формы, методы и способы организации знания, которые обеспечивают создание, построение и разработку научной теории. Существуют различные типы научных теорий: фундаментальные, прикладные, частные.

Важнейшими методами естественно-научного исследования являются наблюдение и эксперимент.

Наблюдение – преднамеренное, планомерное восприятие, осуществляемое с целью выявить существенные свойства объекта познания. Наблюдение относится к активной форме деятельности, направленной на определенные объекты и предполагающей формулировку целей и задач. Наблюдение требует специальной подготовки – предварительного ознакомления с материалами, относящимися к объекту будущего наблюдения.

Эксперимент – метод или прием исследования, с помощью которого объект или воспроизводится искусственно, или становится в заранее определенные условия. Эксперимент не сводится к наблюдению, он активно вмешивается в реальность, изменяет условия протекания процесса. Эксперимент – разновидность практического действия, предпринимаемого с целью получения знания.

В основе многих естественно-научных измерений, составляющих неотъемлемую часть любых экспериментов, лежит сравнение. Сравнение есть установление сходства и различия объектов. Еще древние мыслители утверждали: сравнение – мать познания. Сравнивая между собой объекты, человек получает возможность правильно познавать их и тем самым правильно ориентироваться в окружающем мире, целенаправленно воздействовать на него. Сравнение является важнейшим приемом познания в естествознании.

Анализ представляет собой мысленное или реальное разложение объекта на составляющие его части. Анализ фиксирует в основном то специфическое, что отличает части друг от друга. Когда путем анализа частности достаточно изучены, наступает следующая стадия познания – синтез – объединение в единое целое расчлененных анализом части в единое целое. Синтез показывает то общее, что связывает части друг с другом. Анализ и синтез – основные приемы мышления: процессы разъединения и соединения, разрушения и созидания составляют основу всех процессов материального мира.

В процессе естественно-научного познания возникает необходимость сконцентрировать внимание на одной какой-либо стороне или свойстве изучаемого объекта и отвлечься от ряда других его качеств и задач.

Абстрагирование – мысленное выделение какого-либо предмета или его свойств, в отвлечении от его связей с другими предметами или от других его свойств («абстрактный» - от лат. abstraction – удаление, отвлечение). Абстрагирование – это движение мысли вглубь предмета, выделение его существенных элементов.

Важным приемом естественно-научного познания мира является идеализация как специфический вид абстрагирования. Идеализация – это мыслительное образование абстрактных объектов, не существующих и не осуществляемых в действительности, но для которых имеются прообразы в реальном мире. Например, понятия материальная точка, идеальный газ, абсолютно черное тело являются идеализированными понятиями. Введение в естественно-научный процесс исследования идеализированных объектов позволяет осуществить построение абстрактных схем реальных процессов, что необходимо для более глубокого проникновения в закономерности их протекания.

Обобщение – процесс мысленного перехода от единичного к общему, от менее общего к более общему. Без обобщения нет теории. Теория создается для применения ее на практике, для решения конкретных задач.

В природе самого понимания фактов лежит аналогия, связывающая нити неизвестного с известным. Новое легче воспринимается через образы и понятия известного. Аналогия – это вероятное, правдоподобное заключение о сходстве двух предметов в каком-либо признаке на основании установленного их сходства в других признаках. Несмотря на то, что аналогии дают лишь вероятные заключения, они играют огромную роль в познании, так как ведут к образованию гипотез – научных догадок и предположений, которые в ходе последующего этапа исследований могут превратиться в научные теории.

В современной науке все большее распространение получает метод моделирования, суть которого состоит в воспроизведении свойств объекта познания на специально устроенном его аналоге – модели. Если модель имеет одинаковую физическую форму с оригиналом, то мы имеем дело с физическим моделированием. Модель может строиться по принципу математического моделирования, если оно имеет иную природу, но ее функционирование описывается системой уравнений, тождественной той, которая описывает изучаемый оригинал. Моделирование позволяет описывать процессы, характерные для оригинала, в отсутствие самого оригинала и в условиях, не требующих его наличия. Это бывает необходимо из-за неудобств исследования самого объекта, дороговизны, недоступности.

Процесс выведения общего положения из наблюдения ряда частных единичных фактов называется индукцией. Дедукция – это процесс аналитического рассуждения от общего к частному или менее общему. Началом дедукции являются аксиомы (положения, не доказываемые в данной науке и играющие в ней роль допускаемых оснований доказываемых истин), гипотезы, имеющие характер общих утверждений, а концом – следствия из посылок, теорем. Дедукция является основным средством доказательства. Доказательством называется установление истинности высказывания, суждения, теории. Доказательство, посредством которого выясняется ложность, называется опровержением.

ОСНОВНЫЕ ИСТОРИЧЕСКИЕ ЭТАПЫ РАЗВИТИЯ ЕСТЕСТВОЗНАНИЯ.

Античная картина мира.

Естественно-научная революция Аристотеля.

Нобелевский лауреат по химии Илья Романович Пригожин (1917-2003) справедливо отмечал, что наука развивалась не только как интеллектуальная игра или ответ на запросы практики, но и как страстный поиск истины. Этот поиск находит свое выражение в попытках ученых разных веков создать естественно-научную картину мира.

Естественно-научная картина мира – это образ мира, который создается на основе естественно-научных знаний о его строении и законах. Важнейшим принципом создания естественно-научной картины мира является принцип объяснения законов природы из исследований самой природы, не прибегая к ненаблюдаемым причинам и фактам.

Рассмотрим достижения античной науки с точки зрения развития естествознания. Они необходимы для адекватного понимания концепций современного естествознания

Попытка понять и объяснить мир без привлечения таинственных сил была впервые предпринята древними греками. В древней Греции появились первые научные учреждения: академия Платона, лицей Аристотеля и Александрийский музей, в рамках которого велись интересные научные изыскания, александрийская библиотека при музее, в которой содержалось до 700 тысяч рукописей. В Древней Греции впервые была выдвинута идея единой материальной основы мира. Самой гениальной была идея атомистического строения материи, впервые выдвинутая Левкиппом (5в. до н.э.) и развитая его учеником Демокритом (460-370гг до н.э.). Жизнь Демокрита – образец глубокой преданности науке, познанию мира. Занятия наукой, философией он ставил превыше всего. Он много путешествовал по Востоку, был в Египте, Вавилонии, Индии и Эфиопии, усвоил научные и философские достижения древневосточных культур.

Суть учения Демокрита сводится к следующему:

1) не существует ничего кроме атомов и чистого пространства;

2) атомы бесконечны по числу и бесконечно разнообразны по форме;

3) из «ничего» не происходит «ничего»;

4) ничто не совершается случайно, только по какому-либо основанию и в связи с необходимостью;

5) различие между вещами происходит от различия их атомов в числе, величине, форме и порядке.

Математическим масштабом атомов является «амер», как минимальный масштаб физической протяженности размера атома. Атомы находятся в вечном движении. Причины, вызывающие движение атомов, заложены в самой природе атомов: им свойственна тяжесть, трясучесть (пульсирование, дрожание). Атомы это единственная реальность. Пустота, в которой происходит движение атомов – это лишь фон, лишенный структуры, бесконечное пространство. Атомы, согласно Демокриту, различны по размерам и бывают самой разнообразной формы – шарообразные, крючкообразные, вогнутые, выпуклые и т.п.

Демокрит впервые описал Млечный Путь как огромное скопление звезд, Исторической заслугой античного атомизма является формирование и разработка принципа детерминизма (причинности). В соответствии с этим принципом любые события влекут за собой определенные следствия и в то же время представляют собой следствие из некоторых других событий.

Большую роль в развитии естествознания сыграл Платон (4в. до н.э.) – античный философ. Среди естественнонаучных идей философии Платона особое место занимает концепция математики и роли математики в познании природы, мира, Вселенной. Из математики основной Платон считал арифметику, поскольку идея числа не нуждается в своем обосновании и других идеях. Идея о том, что мир написан на языке математики, глубоко связана с учением Платона об идеях или сущностях вещей окружающего мира. У Платона получалось, что астрономия ближе к математике, чем физика, поскольку астрономия наблюдает и выражает в количественных математических формулах гармонию мира, созданную Богом, наилучшего и самого совершенного, целостного, напоминающего огромный организм.

О значении, которое он придавал математике, свидетельствует надпись над входом в платоновскую Академию: «Несведущим в геометрии вход воспрещен». Математическими образами и аналогиями пронизана вся философия Платона.

По мере накопления знаний о мире задача их систематизации становилась все более актуальной. Эта задача была выполнена Аристотелем (384-322г.г. до н.э.) – учеником Платона. Аристотель родился в Стагире, жил в Афинах, в течение 20 лет учился в Академии Платона, был его лучшим учеником, но часто не соглашался со своим учителем («Платон мне друг, но истина дороже»). Аристотель – философ, основатель логики, биологии и теории управления. Он был наставником и учителем Александра Македонского. В работе «Физика» он рассматривает вопросы о материи и движении, о пространстве и времени, о конечном и бесконечном. В другой работе «О небе» он привел два веских доказательства в пользу того, что Земля не плоская тарелка, а круглый шар.

Во-первых, Аристотель догадался, что лунные затмения происходят тогда, когда Земля оказывается между Луной и Солнцем. Земля всегда отбрасывает круглую тень на Луну, а это может быть лишь в случае, если Земля имеет форму шара.

Во-вторых, из опыта своих путешествий греки знали, что Полярная звезда на небе в южных районах располагается ниже, чем в северных. Зная разницу в кажущемся расположении Полярной звезды в Египте и Греции, Аристотель сумел вычислить длину экватора.

Аристотель полагал, что Земля неподвижна, а Солнце, Луна, планеты и звезды обращаются вокруг нее по круговым орбитам.

Устройство мира по Аристотелю выглядит следующим образом. Вселенная имеет форму шара с конечным радиусом. Поверхностью шара является сфера, поэтому Вселенная состоит из вложенных друг в друга сфер. Центром мира является Земля. Мир делится на лунный и подлунный. Подлунный мир – это Земля и сфера, на которой прикреплена Луна.

Весь мир состоит из пяти элементов: вода, Земля, воздух, огонь и лучезарный эфир. Из эфира состоит все: звезды, светила, пространство между сферами и сами надлунные сферы. Эфир не может быть воспринят органами чувств. Важную роль в космологии Аристотеля играл принцип отсутствия пустоты в природе. («Природа не терпит пустоты».)

Аристотель считал, что мир создан с определенной целью. Поэтому у него во Вселенной все имеет свое целевое назначение или место: огонь, воздух стремятся вверх, Земля, вода – к центру мира, к Земле. В мире нет пустоты, т.е. все занято эфиром. Кроме пяти элементов есть нечто «неопределенное», которое называется «первой материей». В его космологии мир надлунный является вечным и неизменяемым. Законы надлунного мира отличаются от законов мира подлунного. Сферы надлунного мира равномерно двигаются по окружностям вокруг Земли, делая полный оборот за одни сутки. На последней сфере находится перводвигатель. Являясь неподвижным, он придает движение всему миру.

В понимании движения Аристотель различал 4 вида движения:

1) увеличение или уменьшение;

2) превращение или качественное изменение;

3) возникновение и уничтожение;

4) движение как перемещение в пространстве.

Предметы относительно движения могут быть неподвижны, самодвижущиеся, движущиеся не спонтанно, а посредством действия других сил.

Движение в пространстве может быть круговым, прямолинейным и смешанным. Поскольку в мире нет пустоты, то движение должно иметь непрерывный характер, т.е. от одной точки пространства к другой. Отсюда следует, что прямолинейное движение является прерывным, так, дойдя до границы мира, луч света, распространяясь по прямой, должен прервать свое движение, т.е. изменить свое направление. Круговое движение Аристотель считал самым совершенным и вечным, равномерным, именно оно свойственно движению небесных сфер.

Мир, по философии Аристотеля, является космосом, где человеку отведено главное место. В вопросах отношении живого и неживого, Аристотель был сторонником органической эволюции. Теория происхождения жизни Аристотеля предполагает «спонтанное зарождение из частиц вещества», имеющих в себе некое активное начало, которое при некоторых условиях может создавать организм.

Во 2 в. до н.э. александрийский астроном Птоломей выдвинул свою систему мира. Считая Землю шарообразной, а размеры ее ничтожными по сравнению с расстоянием до планет и, тем более, до звезд, Птоломей вслед за Аристотелем утверждал, что Земля – неподвижный центр Вселенной. Согласно его учению, вокруг Земли движутся (в порядке удаленности от Земли) Луна, Меркурий, Венера, Солнце, Марс, Юпитер, Сатурн, звезды. Движения Луны и Солнца – круговые, а движения планет гораздо сложнее. Каждая из планет движется вокруг некоторой точки, которая также движется по кругу, в центре которого находится Земля. Круг, описываемый планетой вокруг движущейся точки, Птоломей назвал эпициклом, а круг, по которому движется точка около Земли, - деферентом.

Такое искусственное построение потребовалось Птоломею для того, чтобы, основываясь на ложном представлении о неподвижности Земли, расположенной в центре Вселенной, объяснить видимую сложность движения планет.

Первой естественно-научной революцией было создание последовательного учения о геоцентрической системе мира

Система мира Аристотеля – Птоломея давала возможность заранее вычислять движение планет на будущее время – это было необходимо для ориентировки в пути во время путешествий и для календаря. Эту ложную систему мира признавали почти полторы тысячи лет.

В Древней Греции зародились основы всем известной школьной геометрии, ее постулаты, ее теоремы – это не что иное, как переработанные «Начала» Евклида (3в. до н.э.). Его предшественники многое сделали для развития геометрии, но все это были отдельные фрагменты. Единую логическую схему геометрии смог дать только Евклид в своих «Началах» - уникальном произведении в истории человеческой культуры. Геометрия Евклида – это первая математическая теория пространства.

Другим выдающимся ученым древнего мира является Архимед (287-212 г.г. до н.э.). Это был первый представитель математической физики, стремящийся воплотить законы механики (закон рычага, учение о центре тяжести, о плавании тел) в действующие конструкции машин.

Общеизвестным в настоящее время является закон Архимеда. Этот закон изложен в сочинении «О плавающих телах», где путем логических рассуждений приходит к его формулировке: На тело, погруженное в жидкость, действует выталкивающая сила, равная весу жидкости, вытесненной телом.

Развитие научного метода связано не только с культурой и цивилизацией Древней Греции. В древних цивилизациях Вавилона, Египта, Китая и Индии происходило развитие математики, астрономии, медицины и философии. В 301 г. до н.э. войска Александра Македонского вошли в Вавилон, в его завоевательных походах участвовали представители греческой учености. К этому времени вавилонские жрецы располагали достаточно развитыми знаниями в области астрономии, математики и медицины. Из этих знаний греки заимствовали деление суток на 24 часа, деление окружности на 360 градусов, описание созвездий.

Гелиоцентрическая система Коперника.

Начало научной революции положил труд Н.Коперника (1473-1543) «О вращении небесных тел». Согласно его учению, в центре мира находится не Земля, а Солнце. Вокруг Земли движется лишь Луна. Сама Земля является третьей по удаленности от Солнца (после Меркурия и Венеры) планетой. Она обращается вокруг Солнца и вращается вокруг своей оси. За орбитой Земли расположены орбиты Марса, Юпитера и Сатурна. На очень большом расстоянии от Солнца Коперник поместил «Сферу неподвижных звезд». Система мира, предложенная Коперником, называется гелиоцентрической. Он объяснил петлеобразное движение планет двумя движениями Земли: ее вращением вокруг своей оси и обращением вместе с другими планетами вокруг Солнца. Коперник впервые в астрономии дал правильную оценку строения Солнечной системы, определил относительные расстояния (в единицах расстояния от Земли до Солнца) планет от Солнца и вычислил период обращения планет вокруг него. Учение Коперника стало мощным толчком для развития всего естествознания.

В 1609 году итальянский ученый Галилео Галилей (1564-1642гг) сделал открытия, наглядно подтверждающие учение Коперника, используя телескоп с двадцатикратным увеличением. Он открыл четыре спутника планеты Юпитер. Их движения вокруг Юпитера опровергало представление о том, что Земля является центром небесных тел. Галилей обнаружил, что Венера, подобно Луне, меняет свои фазы. Следовательно, Венера – шарообразное тело, которое светит отраженным солнечным светом. Изучая особенности изменении вида Венеры, Галилей сделал правильный вывод о том, что она движется не вокруг Земли, а вокруг Солнца. На Солнце, олицетворявшем «небесную чистоту», Галилей открыл пятна и, наблюдая за ними, установил, что Солнце вращается вокруг своей оси. Наконец, он обнаружил, что Млечный Путь – это множество слабых звезд, неразличимых невооруженным глазом. Следовательно, Вселенная значительно грандиознее, чем думали раньше.

Важную роль в развитии естествознания сыграл принцип относительности, впервые сформулированный Галилеем для механического движения. Механическое движение и его характер зависит от системы отсчета. Система отсчёта – это произвольно выбранная система материальных тел, с которой связана система прямоугольных координат. Эта система координат позволяет определить положение тел в пространстве и изменение их положения относительно других тел в этом пространстве результате их механического движения.

Так система отсчета, в которой выполняется 1 закон Ньютона, называется инерциальной системой отсчета. Это такая система, которая либо покоится, либо движется равномерно и прямолинейно относительно какой-то неподвижной. Опытным путем установлено, что с большой степенью точности инерциальной можно считать гелиоцентрическую систему отсчета, начало координат которой находится в центре Солнца, а оси проведены в направлении определенных звезд. Система отсчета, связанная с Землей, неинерциальная, однако эффекты, обусловленные ее неинерциальностью, связанные с вращением вокруг собственной оси и обращением вокруг Солнца, при решении многих задач пренебрежимо малы и в этих случаях можно считать инерциальной. Если системы отсчета движутся относительно друг друга равномерно и прямолинейно и в одной из них справедливы законы динамики Ньютона, то эти системы – инерциальные.

Установлено, что во всех инерциальных системах отсчета законы классической динамики имеют одинаковую форму. В этом сущность механического принципа относительности Галилея. Он означает, что уравнения динамики при переходе от одной инерциальной системы отсчета к другой не изменяются, т.е. инвариантны по отношению к преобразованию координат (инвариантность означает неизменность физических величин или свойств природных объектов при переходе от одной системы отсчета к другой).

Галилей обратил внимание на то, что никакими механическими опытами, проведенными в данной инерциальной системе отсчета, нельзя установить, покоится она или движется равномерно и прямолинейно. Равномерное и прямолинейное движение, равно как и покой, может существовать при отсутствии всяких сил.

В 1616 году книга Коперника «О вращении небесных сфер» была запрещена церковью, а изложенное в ней учение объявлено противоречащим Священному Писанию. Галилею запретили пропагандировать учение Коперника. В1633 году Галилей предстал перед судом инквизиции, где его заставили подписать отречение от своих взглядов. Лишь в 1692 году католическая церковь окончательно оправдала Галилея.

Однако никакие запреты не смогли остановить распространение учения Коперника. В Австрии Иоганн Кеплер (1571-1630гг) развил учение Коперника, открыв законы движения планет. В 1600г. вплотную занявшись исследованием Марса, он пришел к выводу, что орбита Марса должна быть эллипсом. В современной формулировке законы Кеплера звучат так:

1) каждая планета движется по эллипсу, в одном из фокусов которого находится Солнце;

2) каждая планета движется в плоскости, проходящей через центр Солнца, причем площадь сектора орбиты, описываемая радиусом-вектором планеты, изменяется пропорционально времени обращения;

3) квадраты времен обращения планет вокруг Солнца относятся как кубы их средних расстояний от него.

Помимо сказанного, Кеплеру принадлежит немало заслуг в астрономии и математике. Он разработал теорию солнечных и лунных затмений, предложил способы их предсказания, уточнил величину расстояния между Землей и Солнцем, составил таблицы, по которым в любой момент времени можно было с высокой степенью точности определять в любой момент времени положение планет.

Однако он не объяснил причины движения планет, ибо не существовало понятий силы и взаимодействия.

В России учение Коперника смело поддерживал М. В. Ломоносов(1711-1765гг), который открыл атмосферу на Венере, защищал идею о множественности обитаемых миров и в остроумных стихах высмеивал сторонников геоцентризма.

МЕХАНИЧЕСКАЯ КАРТИНА МИРА.

Становление физики как науки связано в первую очередь с гениальными открытиями Г.Галилея и И.Ньютона (17 век). Особенно значительны научные прозрения Ньютона (1643-1727), сумевшего первым записать физические законы в форме дифференциальных уравнений. Исаак Ньютон – выдающийся английский учёный, заложивший основы современного естествознания, создатель классической физики. Его научная деятельность была связана с Лондонским Королевским обществом, сообществом талантливых людей, объединённых общим интересом к познанию природы. Он родился в Вулсторпе, окончил Кембриджский университет в 1665 году. В 1669-1701 годах возглавлял в нём кафедру. С 1695 года – смотритель, а 1699 – директор Монетного двора.

Изобретенную им теорию называют ньютоновской механикой. Дальнейшее развитие этой механики называется классической механикой. Классическую механику называют теорией макромира или макротел, т.е. разделом физики, изучающим физические события, явления в мире материальных тел, физические параметры которых достаточно велики. Методы и технические средства исследования классической механики не оказывают существенного влияния на физические параметры исследуемых объектов.

Механика (от греч. mechane –орудие, машина) или динамика (от греч. dynamis – cила) позволяет рассчитывать самые разнообразные процессы, происходящие под действием гравитационных, электростатических, упругих и других сил. В механике Ньютона широко используются понятия работы, кинетической и потенциальной энергии, момента импульса.

Исаак Ньютон в 1687 году в своем знаменитом труде «Математические начала натуральной философии» сформулировал основные законы движения, закон всемирного тяготения, ввел понятие массы, количества движения, ускорения, инерции. Чтобы развивать свою теорию Ньютон наряду с Лейбницем разработал необходимый математический аппарат – математический анализ.

Первый закон Ньютона: всякое тело пребывает в состоянии покоя или равномерного прямолинейного движения до тех пор, пока действующие на него силы не изменят этого состояния.

Стремление тела сохранять состояние покоя или равномерного прямолинейного движения называется инертностью или инерцией. Поэтому 1 закон Ньютона называют законом инерции. Этот закон является обобщением принципа инерции Галилея.

Для количественной формулировки 2 закона Ньютона вводятся понятия ускорения «», массы «m», силы «F». Ускорением характеризуется быстрота изменения скорости тела. Масса тела – физическая величина, одна из основных характеристик материи, определяющая ее инерционные (инертная масса) и гравитационные (тяжелая или гравитационная масса) свойства. Сила – это векторная величина, мера механического воздействия на тело со стороны других тел или полей, в результате которого тело приобретает ускорение или изменяет свою форму и размеры.

2 закон динамики: произведение массы тела на его ускорение равно действующей на него силе, а направление ускорения совпадает с направлением силы:

F = m.

3 закон динамики: Действию всегда соответствует равное по величине и противоположно направленное противодействие:

F1 = -F2.

Обратимся теперь к концептуальным основаниям механики Ньютона. В этой связи особое внимание уделяется первому и второму законам Ньютона. На первый взгляд, кажется, что первый закон является не чем иным, как частным случаем второго закона Ньютона. На самом деле, если в формулу второго закона Ньютона

=F/m,

подставить F=0, что равносильно либо отсутствию сил, либо их взаимному уравновешиванию. Значит =0, т.е. материальная точка движется без ускорения, находится в состоянии либо покоя, либо равномерного прямолинейного движения. Мы пришли к первому закону Ньютона. Но более глубокий анализ оснований классической механики показывает, что в различении первого и второго законов Ньютона содержится глубокий смысл.

Законы Ньютона выполняются не во всех, а лишь в инерциальных системах отсчета. Назначение первого закона Ньютона состоит в том, чтобы определить условия выделения систем отсчета. Инерциальными являются те системы отсчета, которые либо покоятся, либо находятся в состоянии равномерного и прямолинейного движения относительно неподвижной.

В механике Ньютона не все системы отсчета равноправны, инерциальные и неинерциальные системы отличны друг от друга. Указанное неравноправие свидетельствует о недостаточной зрелости механики Ньютона.

Размышляя над проблемой свободного падения тел, древние индейцы полагали, что дух матери-Земли взывает к духу камней. Великий древнегреческий философ Аристотель считал, что тела падают на Землю в силу их стремления к своему естественному месту. Ни утверждения древних индейцев, ни мнение Аристотеля невозможно подтвердить на основе экспериментальных данных, следовательно, они не удовлетворяют критерию подтверждаемости. Единственное рациональное зерно в рассматриваемых воззрениях состоит в констатации того, что тела падают на Землю. Но сам факт падения не находит приемлемого с позиций науки объяснения.

Рассуждая чисто дедуктивно, Ньютон попытался ответить на вопрос, какая сила заставляет материальные тела падать на поверхность Земли и не является эта сила той же физической природы, которая заставляет двигаться планеты вокруг Солнца по законам Кеплера. Он приходит к выводу, что движением планет, Луны, всех тел, падающих на Землю, управляет одна и та же сила - сила тяготения и формулирует закон всемирного тяготения, согласно которому:

два тела притягиваются друг к другу с силой, прямо пропорциональной произведению их масс и обратно пропорциональной квадрату расстояния между ними:

F = GmM/r2.

G - гравитационная постоянная, вычисленная опытным путем и равная

6,6710-11Нм2/кг2, m и М – массы тел, r – расстояние между телами.

Сила тяготения – это исторически первая сила физического взаимодействия, которая была открыта естествознанием. Открытие закона всемирного тяготения знаменовало переход от кинематического описания солнечной системы к динамическому объяснению явлений и окончательно утвердило победу учения Николая Коперника.

Велик вклад Ньютона в оптику. В 1666 году пр помощи трёхгранной стеклянной призмы он разложил белый свет на семь цветов (в спектр), тем самым доказав его сложность (явление дисперсии). Ньютон сконструировал телескоп-рефлектор оригинальной системы – зеркальный (отражательный), где вместо линзы использовалось вогнутое зеркало. Исследовав интерференцию и дифракцию света, изучая цвета тонких пластинок, открыл так называемые кольца Ньютона, установил закономерности в их размещении, высказал мысль о периодичности светового процесса. Он считал свет потоком корпускул, однако на разных этапах рассматривал возможность существования и волновых свойств света. Свои оптические исследования Ньютон изложил в труде «Оптика» в 1704 году.

ХАРАКТЕРНЫЕ ОСОБЕННОСТИ МЕХАНИЧЕСКОЙ КАРТИНЫ МИРА.

Популяризация идей механики Ньютона связана с именем французского философа Вольтера (1694-1778). При его активном участии работа Ньютона «Математические начала натуральной философии» была переведена с латинского языка на французский. Затем Вольтер написал популярное изложение механики Ньютона под названием «Элементы учения Ньютона». Механика Ньютона представлялась ему образцом человеческого творчества, проникающего в глубины тайн устройства природы. Популяризация механики Ньютона способствовала возникновению механической картины мира. Механическая картина мира – это система взглядов, согласно которой мир, Вселенная является высокоточной, отлаженной системой машин, действующей по законам механического движения. В основе механической картины мира лежит гипотеза о существовании атомов, а также принцип детерминизма. Исходным физическим понятием в этой картине мира является вещество, локализованное в пространстве и состоящее из атомов.

Перечислим характерные особенности механической картины мира.

1) Сила тяготения является дальнодействующей и распространяется с бесконечной скоростью без соприкосновения с взаимодействующими телами.

2) Сила тяготения не действует на свет, на его траекторию движения.

3) Все механические процессы подчиняются принципу детерминизма, суть которого состоит в признании возможности точного и однозначного определения состояния механической системы по предыдущему состоянию, т.е. случайность целиком исключается.

4) Математическая теория пространства Евклида правильно отражает метрику пространства при механическом движении: два прямолинейно и параллельно движущихся тела никогда не пересекутся в своем движении на просторах Вселенной.

5) Часы, установленные на движущемся теле, не замедляют и не ускоряют свой ход.

6) Величина массы остается неизменной в механическом движении тел.

7) В мире возможны одновременные события, так как время – это абсолютная математическая длительность, мера определения движения тел в пространстве.

Три закона Ньютона предполагают определенную природу пространственных и временных промежутков. Ньютон различал абсолютное и относительное время. По Ньютону истинное время абсолютно, ни от чего не зависит и протекает равномерно. Для измерения любых промежутков времени достаточно иметь одни часы, ход которых должен быть равномерным.

В своих «Математических началах натуральной философии» он писал: «Абсолютное, истинное математическое время само по себе и по своей сущности без всякого отношения к чему-либо внешнему, протекает равномерно и иначе называется длительностью. Относительное, кажущееся или обыденное время есть или точная, или изменчивая, постигаемая чувствами внешняя, совершаемая при посредстве какого-либо движения, мера продолжительности, употребляемая в обыденной жизни вместо истинного математического времени, как то: час, день, месяц. Течение абсолютного времени изменяться не может. Длительность или продолжительность существования вещей одна и та же, быстры движения или медленны, или их совсем нет».

Пространство Ньютон также считал абсолютным, оно везде является одним и тем же. Это означает, что для измерения длин надо использовать недеформируемые твердые тела с нанесенными на них делениями. «Время и пространство составляет как бы вместилище самих себя и всего существующего».

Ритм Вселенной одинаков в каждой точке Вселенной и по всем ее направлениям.

Триумфом механики Ньютона стали открытия астрономов. В 1781 году была открыта планета Уран, в 1846 – Нептун, в 1930 – Плутон. Каждому из этих астрономических открытий предшествовали вычисления на основе закона всемирного тяготения Ньютона.

Научное творчество Ньютона сыграло исключительно важную роль в истории развития физики. По словам Альберта Эйнштейна, «Ньютон был первым, кто попытался сформулировать элементарные законы, которые определяют временной ход широкого класса процессов в природе с высокой степенью полноты и точности» и «оказал своими трудами глубокое и сильное влияние на всё мировоззрение в целом».

ЭЛЕКТРОМАГНИТНАЯ КАРТИНА МИРА.

В 60-х годах 19 века была создана классическая электродинамика, в которой речь идёт о связи электрических и магнитных сил. На основе данной теории были сделаны попытки создания электромагнитной картины мира. Если исходным физическим понятием в механической картины мира является вещество, то в данной теории – понятие физического поля.

Электрические и магнитные явления изучались давно (термин «электричество» происходит от древнегреческого слова «electron»-янтарь). Еще античные мыслители знали, что янтарная палочка, потертая о шерсть, приобретает свойство - при прикосновении к другим телам она вызывает свечение или искрение. Электрические заряды делятся на положительные и отрицательные. Положительный заряд возникает на стекле, натертом кожей, отрицательный – на янтаре, натертом шерстью.

Естественный магнит представляет минерал, образующийся в процессе окисления железа при высокой температуре. Этот минерал довольно широко распространен на поверхности Земли. Римский философ и поэт Лукреций (99-55гг до н.э.) считал, что термин «магнит» произошел от названия местности Холмы Магнезии в Малой Азии, где добывали железную руду.

Первоначально электрические явления искры, молнии, свойства лейденских банок накапливать электрический заряд – считались совершенно не связанными с явлениями магнетизма, наблюдаемыми в минералах некоторых видов, в поведении стрелки компаса. Например, французский учёный Ш. Кулон (1736-1806гг), не зная о связи электрических и магнитных явлений, сформулировал в 1784 году закон о взаимодействии электрически заряженных тел, согласно которому сила взаимодействия между электрическими зарядами прямо пропорциональна произведению зарядов и обратно пропорциональна квадрату расстояния между заряженными телами: F=К(q1q2/r2), К – электрическая постоянная, q1 и q2 – электрические заряды, r – расстояние между зарядами. Однако датский физик Эрстед (1777-1857гг) и французский физик Ампер (1775-1836гг) продемонстрировали на опыте, что проводник с электрическим током порождает эффект отклонения магнитной стрелки. Эрстед высказал мысль, что вокруг проводника с током существует магнитное поле. Английский физик М.Фарадей (1791-1867гг) опытным путем доказал, что между магнетизмом и электричеством существует прямая динамическая связь. Он ввел понятие «электромагнитного поля». Фарадей вошёл в науку исключительно благодаря таланту и усердию в самообразовании. Выходец из бедной семьи , он работал в переплётной мастерской, где ознакомился с трудами учёных , философов. Ему принадлежит идея о том, что электричество имеет единую физическую природу. Для объяснения взаимодействия между электрическими зарядами на расстоянии Фарадей ввел понятие физического поля. Физическим полем, он назвал свойство самого пространства вокруг электрически заряженного тела оказывать физическое воздействие на другое заряженное тело, помещенное в это пространство.

Математическая разработка его идей была осуществлена английским ученым Максвеллом (1831-1879гг), который в 1873 году в своей работе «Трактат об электричестве и магнетизме» теоретически определил законы электромагнитного поля. Он сформулировал свою теорию на основе законов связи электричества и магнетизма, которые можно сформулировать таким образом:

Любой электрический ток создает магнитное поле в окружающем его пространстве. Постоянный электрический ток создает постоянное магнитное поле. Но постоянное магнитное поле (неподвижный магнит) не может создавать электрическое поле вообще.
Образовавшееся переменное магнитное поле создает переменное электрическое поле, которое, в свою очередь, создает переменное магнитное поле, и так далее.
Силовые линии электрического поля замыкаются на электрических зарядах.
Силовые линии магнитного поля замкнуты сами на себя и никогда не кончаются, т.е. не существует в природе магнитных зарядов.

Согласно теории Максвелла, каждая заряженная частица окружена полем – невидимым ореолом, оказывающим воздействие на другие заряженные частицы, находящиеся вблизи. В теории Максвелла движение частицы, помещенной в данную точку пространства, определялось силовой характеристикой – напряженностью поля в этой точке. Анализируя свои уравнения, Максвелл пришел к выводу о том, что скорость распространения электромагнитных волн должна быть конечной и равной скорости света в вакууме. Отсюда был сделан совершенно новый вывод: свет есть разновидность электромагнитных волн. Электромагнитное взаимодействие позволяет видеть окружающие нас предметы и тела, т.к. свет есть одна из форм электромагнитного поля. Сама жизнь немыслима без сил электромагнитной природы. Живые существа и даже человек, как показали полеты космонавтов, могут длительно находиться в состоянии невесомости, когда силы всемирного тяготения заметно не проявляются. Но если бы на мгновение прекратилось действие электромагнитных сил, то жизнь исчезла бы. Строение атомов, сцепление атомов и молекул и образование из вещества тел различной формы определяется исключительно электромагнитным взаимодействием.

Немецкий физик Г. Герц (1857-1894гг) в 1887 году обнаружил экспериментально электромагнитные волны. Свет в пространстве между электрическими зарядами распространялся поперечными волнами со скоростью 300 тыс. км/с. Таким образом, было доказано, что материя существует не только в виде вещества, но и в виде разнообразных физических полей. Эксперимент Фарадея стал основой для создания электромагнитной картины мира.

Лишь после создания Максвеллом электромагнитной теории поля во второй половине 19 века началось широкое практическое использование электромагнитных явлений. В 1884 году была создана первая телеграфная линия между городами, в 1866 – прокладка первого трансатлантического кабеля, В 1876 – телефона, в 1879 – лампы накаливания. Изобретение радио Поповым в 1899 году – одно из важнейших применений новой электромагнитной теории. При развитии электромагнитной теории поля впервые научные исследования предшествовали техническим применениям.

Электромагнитные волны дают информацию о процессах, происходящих внутри атомов химических элементов и молекул вещества. Они представляют информацию о далеком прошлом и настоящем Вселенной, о температуре космических тел, их химическом составе, расстоянии до них и т.д.

В настоящее время используется следующая шкала электромагнитных волн:

• радиоволны с длиной волны - 104 до 10-3 м,

• инфракрасные волны - от 10-3 до 8·10-7м,

• видимый свет - от 8·10-7 до 4·10-7 м,

• ультрафиолетовые волны - 4·10-7 до 10-8 м,

• рентгеновские лучи -10-8 до 10-11 м,

• гамма-излучение - 10-11-10-13 м.

Минимальной порцией электромагнитной энергии является фотон. Это самое малое неделимое количество электромагнитного излучения.

Сенсацией начала 21 века является создание российскими учеными из г. Троицка полимера из атомов углерода, который обладает свойствами магнита. Обычно считалось, что наличие металлов в веществе ответственно за магнитные свойства. Проверка этого полимера на металличность показала, что в нем присутствия металлов.

Из вышеизложенного мы можем сделать следующие выводы:

Физическое поле является основным понятием электромагнитной картины мира.
Вещество – дискретно, физическое поле – непрерывно в каждой точке своего распространения.
Электромагнитные волны – силы блзкодействия, поэтому гравитационные силы рассматриваются в электромагнитной картине мира как силы близкодействия, действующие в гравитационном поле.

Установленное различие в физической природе электромагнитных и гравитационных сил стимулировало интерес учёных к осмыслению понятия физического поля как проявления некой более универсальной физической силы, энергии. Эта идея получила своё развитие в классической термодинамике.

КЛАССИЧЕСКАЯ ТЕРМОДИНАМИКА.

Энергия является основным понятием этой теории, созданной во второй половине 19 века. Термин «энергия» в переводе с древнегреческого языка означает деятельный. Широкое распространение этого термина в языке науки связано с именем английского физика Уильям Томсона (1824-1907гг), больше известного под именем У.Кельвин, которым он стал именовать себя после присуждения ему титула барона за заслуги в развитии мировой науки. Он разработал абсолютную температуру, открыл ряд физических эффектов, носящих его имя, и исследовал проблему рассеяния (диссипации) энергии в связи с изучением вопросов устройства Вселенной на энергетическом уровне.

Классическая термодинамика придала понятию энергии конкретный физический смысл. Энергия термодинамической системы рассматривается здесь как энергетическое состояние, которое образуется из энергии всех составляющих её элементов.

Тепло и работа в этой теории понимаются как формы передачи и обмена энергией, а не самой энергией: тепло – хаотическое движение элементов термодинамической системы, работа – направленный процесс упорядочения элементов системы. Для того, чтобы изменить внутреннюю энергию термодинамической системы, нужно подвести к ней тепло или совершить над ней работу с помощью внешних сил.

Все термодинамические системы делятся на закрытые (изолированные) и открытые. Закрытые системы не обмениваются энергией с окружающей средой. Открытые системы не изолированы от окружающей среды. Например, клетка в многоклеточных организмах как термодинамическая система является, с одной стороны, изолированной системой относительно параметров поддержания её целостного строения и, с другой – открытой, поскольку она обменивается энергией с другими клетками организма. Все термодинамические системы могут находиться в трёх состояниях: стационарном, равновесном и неравновесном.

Стационарное состояние означает, что параметры системы не меняются во времени. Равновесное состояние имеет место, когда термодинамические параметры имеют одинаковое значение для всех элементов системы. Неравновесное состояние означает, что значение исследуемых параметров распределено неравномерно между элементами системы.

Макроскопическими называются тела, состоящие независимо от их агрегатного состояния из очень большого числа частиц. В этих условиях невозможно подсчитать характеристики всех элементарных частиц, из которых состоят макротела. Поведение огромного числа частиц изучается статистикой. В данном случае нас интересуют средние величины. На их основе выясняется смысл тех или иных макроскопических параметров. Так в равновесных условиях температура (Т) пропорциональна средней кинетической энергии частиц тела.

Внутренняя энергия (U) представляет собой сумму кинетических и потенциальных энергий тех частиц, из которых состоит тело. Количество теплоты (Q) есть энергия тех частиц, которые либо испускаются, либо поглощаются телом. Работа (А) - мера действия силы. Энтропия (S) пропорциональна числу микросостояний, реализующих данное макросостояние. Чем больше это число, тем выше вероятность достижения именно этого состояния. Энергия в замкнутых состояниях - сохраняющаяся величина. Закон сохранения энергии выполняется для любых физических процессов. Для макропроцессов закон сохранения энергии выглядит наиболее просто, ибо при анализе не учитывается соотношение неопределенности: Et. Энергия не возникает из ничего и не исчезает бесследно, а лишь переходит из одного состояния в другое.

Актуальное значение имеет для человека закон сохранения энергии для термодинамических систем, важнейшими параметрами которых являются: количество теплоты (Q), внутренняя энергия (U), работа (А), температура (Т), энтропия (S).

Закон сохранения энергии для любых термодинамических систем называется 1-м началом термодинамики и записывается так:

Q=U+A.

Сообщаемое термодинамической системе количество теплоты расходуется частично на повышение внутренней энергии тела (оно нагревается) и на совершение работы. Из первого начала термодинамики следует, что A=Q+(U), т.е. работу можно совершить лишь за счет подведения теплоты (Q) и уменьшения внутренней энергии (перед U стоит знак минус). Невозможно построить так называемый двигатель первого рода, который совершал бы работу без подвода энергии.

«Вечный двигатель» первого рода – это периодически действующая машина, имеющая неиссякаемую внутреннюю энергию, которую можно использовать в виде механического движения рабочего тела (механизма) во внешней среде.

Второй закон был сформулирован Клаузиусом:

«Теплота не может самопроизвольно переходить от менее нагретого к более нагретому телу». В формулировке У. Кельвина: невозможно создать периодически действующую машину, единственным результатом которой было бы поднятие груза за счет охлаждения теплового резервуара.

Для уточнения физического содержания второго закона термодинамики Клаузиус ввел понятие энтропии. Энтропия в переводе с латинского языка означает поворот, превращение. Энтропия выражала у Клаузиуса меру неупорядоченности изолированной термодинамической системы, т.е. переход подобной системы со временем к состоянию хаотического движения составляющих ее элементов. Энтропийный процесс означает, что любая термодинамическая система, изолированная от внешней среды, переходит со временем от упорядоченного, структурного энергетического состояния к неупорядоченному, хаотическому движению составных её элементов.

Сообщение телу количества теплоты (Q) приводит к его нагреванию, возникает неравновесное состояние: температура тела больше, чем температура окружающей среды. Система переходит из неравновесного состояния в равновесное. Простейшим примером является самопроизвольный переход теплоты от горячих тел к холодным. Самопроизвольный переход термодинамической системы из неравновесного состояния в равновесное является необратимым процессом, он идет только в одном направлении. Обобщая свои исследования по термодинамическим система Клаузиус высказал следующие положения: энергия мира постоянна; энтропия мира стремится к максимуму. Это также формулировка второго начала термодинамики:

S0,

где S- изменение энтропии. При переходе из неравновесного состояния в равновесное энтропия увеличивается (S>0), в равновесном состоянии энтропия неизменна (S=0).

Закон возрастания энтропии выражает необходимость перехода системы в наиболее вероятное состояние, для которого характерна максимальная степень упорядоченности. Маловероятно, что горячее и холодное тела, находящиеся в контакте, сохранят именно это состояние. Более вероятно, что произойдет выравнивание температур. Из-за второго начала термодинамики работа теплового двигателя приводит к нагреванию окружающей среды. Сообщаемое рабочему телу двигателя количество теплоты (Q) частично рассеивается. Это значит, что невозможно построить вечный двигатель второго рода, т. е двигатель который переводил бы в работу все количество теплоты, сообщаемое его рабочему телу. Исходя из второго начала термодинамики, Клаузиус в 1865г. пришел к выводу: все виды энергии во Вселенной перейдут в тепловую и равномерно распределятся по всей Вселенной. Но Вселенная нестационарна, в ней образуются упорядоченные структуры типа звезд, Галактик и планетных систем.

КОНЦЕПЦИИ ДАЛЬНОДЕЙСТВИЯ И БЛИЗКОДЕЙСТВИЯ.

Сразу после открытия Ньютоном закона всемирного тяготения, а затем примерно через 100 лет и закона Кулона, описывающего взаимодействие заряженных тел, возникли вопросы, в большей степени философского содержания: почему физические тела, обладающие массой, действуют друг на друга на расстояниях, даже на огромных, через пустое пространство, и почему заряженные тела взаимодействуют даже через электрически нейтральную среду? До введения понятия «поле» не было ответа на эти вопросы. Долгое время считалось, что взаимодействие между телами может осуществляться непосредственно через пустое пространство, которое не принимает участие в данном процессе. Передача взаимодействия происходит мгновенно. Такое предположение составляет сущность концепции дальнодействия, основоположником которой является французский математик, физик и философ Рене Декарт. Концепция дальнодействия допускает действие вне времени и пространства. Этой концепции многие ученые придерживались до конца 19 века.

Благодаря открытиям Фарадея, Максвелла, Герца, Попова было показано, что материя существует не только в виде вещества, но и в виде поля. Признание реальности электромагнитного поля означало победу в физике концепции близкодействия над общепринятой в 19 в. концепции дальнодействия.

Концепция близкодействия утверждает, что любое воздействие на материальные объекты может быть передано лишь от данной точки пространства к ближайшей соседней точке за конечный промежуток времени. В теории электромагнетизма Максвелла было доказано, что взаимодействие заряженных тел осуществляется не мгновенно, а с конечной скоростью, равной скорости света в пустоте – 300000 км/с. Таким образом, выработка концепции физического поля способствовало упрочению концепции близкодействия, которая распространяется не только на электромагнитное, но и на другие типы взаимодействий.

Дальнодействие и близкодействие – две противоположные концепции, призванные объяснить общий характер взаимодействия физических объектов.

СПЕЦИАЛЬНАЯ ТЕОРИЯ ОТНОСИТЕЛЬНОСТИ ЭЙНШТЕЙНА.

В сентябре 1905г. появилась работа А.Эйнштейна «К электродинамике движущихся тел», в которой были изложены основные положения Специальной теории относительности (СТО). Эта теория означала пересмотр классических представлений физики о свойствах пространства и времени. Поэтому данная теория по своему содержанию может быть названа физическим учением о пространстве и времени. Физическим потому, что свойства пространства и времени в этой теории рассматриваются в тесной связи с законами совершающихся в них физических явлений. Термин «специальная» подчеркивает то обстоятельство, что эта теория рассматривает явления только в инерциальных системах отсчета.

В качестве исходных позиций специальной теории относительности Эйнштейн принял два постулата, или принципа:

1) принцип относительности;

2) принцип независимости скорости света от скорости источника света.

Первый постулат представляет собой обобщение принципа относительности Галилея на любые физические процессы: все физические явления протекают одинаковым образом во всех инерциальных системах отсчета. Все законы природы и уравнения, описывающие их, инвариантны, т.е. не меняются, при переходе от одной инерциальной системы отсчета к другой.

Другими словами, все инерциальные системы отсчета эквивалентны (неразличимы) по своим физическим свойствам. Никаким опытом нельзя выделить ни одну из них как предпочтительную.

Второй постулат утверждает, что скорость света в вакууме не зависит от движения источника света и одинакова во всех направлениях.

Это значит, что скорость света в вакууме одинакова во всех инерциальных системах отсчета. Таким образом, скорость света занимает особое положение в природе.

Из постулатов Эйнштейна следует, что скорость света в вакууме является предельной: никакой сигнал, никакое воздействие одного тела на другое не могут распространяться со скоростью, превышающей скорость света в вакууме. Именно предельный характер этой скорости объясняет одинаковость скорости света во всех системах отсчета. Наличие предельной скорости автоматически предполагает ограничение скорости движения частиц величиной «с». Иначе эти частицы могли бы осуществлять передачу сигналов (или взаимодействий между телами) со скоростью, превышающей предельную. Таким образом, согласно постулатам Эйнштейна, значение всех возможных скоростей движения тел и распространения взаимодействий ограничено величиной «с». Этим отвергается принцип дальнодействия ньютоновской механики.

Из СТО следуют интересные выводы:

1) СОКРАЩЕНИЕ ДЛИНЫ: движение любого объекта влияет на измеренную величину его длины.

2) ЗАМЕДЛЕНИЕ ВРЕМЕНИ: с появлением СТО возникло утверждение, что абсолютное время не имеет абсолютного смысла, оно лишь идеальное математическое представление, ибо в природе нет реального физического процесса, пригодного для измерения абсолютного времени.

Течение времени зависит от скорости движения системы отсчета. При достаточно большой скорости, близкой к скорости света, время замедляется, т.е. возникает релятивистское замедление времени.

Таким образом, в быстро движущейся системе время течет медленнее, чем в лаборатории неподвижного наблюдателя: если бы наблюдатель, находящийся на Земле, мог следить за часами в летящей на большой скорости ракете, то он пришел бы к выводу, что они идут медленнее его собственных. Эффект замедления времени означает, что обитатели космического корабля стареют медленнее. Если бы один из двух близнецов совершил длительное космическое путешествие, то по возвращении на Землю он обнаружил бы, что оставшийся дома его брат-близнец намного старше его.

В некоторой системе можно говорить только о локальном времени. В этой связи время не есть сущность, не зависящая от материи, оно течет с различной скоростью в различных физических условиях. Время всегда относительно.

3) УВЕЛИЧЕНИЕ МАССЫ: масса тела также является относительной величиной, зависящей от скорости его движения. Чем больше скорость тела, тем больше становится его масса.

Эйнштейн нашел также связь между массой и энергией. Он формулирует следующий закон: «масса тела есть мера содержащейся в нем энергии: Е=mс2». Если в эту формулу подставить m=1 кг и с=300000 км/с, то мы получаем огромную энергию 9·1016 Дж, которой хватило бы для горения электрической лампочки в течение 30 млн. лет. Но количество энергии в массе вещества ограничено величиной скорости света и количеством массы вещества.

Окружающий нас мир имеет три измерения. СТО утверждает, что время нельзя рассматривать как нечто отдельно взятое и неизменное. В 1907 году немецкий математик Минковский разработал математический аппарат СТО. Он высказал предположение, что три пространственные и одна временная размерности тесно связаны между собой. Все события во Вселенной происходят в четырехмерном пространстве-времени. С математической точки зрения СТО есть геометрия четырехмерного пространства-времени Минковского.

СТО подтверждена на обширном материале, многими фактами и экспериментами (например, замедление времени наблюдается при распадах элементарных частиц в космических лучах или в ускорителях высоких энергий) и лежит в основе теоретических описаний всех процессов, протекающих с релятивистскими скоростями.

Итак, описание физических процессов в СТО существенно связано с системой координат. Физическая теория описывает не физический процесс сам по себе, а результат взаимодействия физического процесса со средствами исследования. Поэтому впервые в истории физики непосредственно проявилась активность субъекта познания, неотрывное взаимодействие субъекта и объекта познания.

СОЗДАНИЕ ОБЩЕЙ ТЕОРИИ ОТНОСИТЕЛЬНОСТИ.

Создание любой фундаментальной теории порождает необходимость ее согласования с накопленным ранее массивом научного знания. Подобная ситуация возникла после создания СТО, что привело к необходимости обобщения ньютоновской теории гравитации и потребовало нового расширения принципа относительности.

Дело в том, что СТО не «стыковалась» с классической теорией тяготения. Теория Ньютона была построена на принципе дальнодействия, СТО – на представлении о том, что никакое воздействие не может передаваться со скоростью, превышающей скорость света в вакууме. В 1915-1916 годах Эйнштейн создал новую теорию гравитации – общую теорию относительности (ОТО). Здесь в центре внимания оказалось понятие неинерциальной системы отсчета.

Классическая физика и СТО формулируют закономерности физических процессов для инерциальных систем отсчета. В них соблюдается принцип инерции, по отношению к ним выполняется принцип относительности и законы механики. Понятие «инерциальные системы» - это научная абстракция, которой по существу никакая реальная система не соответствует, поскольку реальные системы так или иначе включены в различные ускоренные и вращательные движения. Все реальные системы – неинерциальные.

В неинерциальных системах не выполняются законы механики, принцип относительности. Поэтому задача физики состоит в том, чтобы распространить ее законы с инерциальных систем на неинерциальные. Как это осуществить?

Возможность реализации этой идеи Эйнштейн увидел на пути обобщения принципа относительности, т.е. распространения его не только на скорость, но и на ускорение движущихся систем. Если не приписывать абсолютный характер ускорению, то выделенность класса инерциальных систем потеряет свой смысл и физические закономерности можно формулировать таким образом, чтобы они относились к любой системе координат. В этом и заключается общий принцип относительности.

Из него следовало, что ускорение имеет конкретный смысл по отношению к фактору, вызывающему и определяющему его, так же, как мы говорим о скорости относительно какого-нибудь тела. Что же это за фактор?

Эйнштейн усмотрел такой фактор в эквивалентности сил инерции и сил тяготения (эквивалентность инертной и гравитационной масс). В чем состоит такая эквивалентность?

На заре классической механики было установлено, что существует два независимых способа определения массы тела.

Согласно второму закону динамики m=F/a, где F – сила, прилагаемая к телу. Здесь масса является сопротивлением тела приложенной к нему силе, мерой его инерции (инертная масса)
Через закон всемирного тяготения (гравитационная масса). Здесь масса – это источник поля тяготения. С одной стороны, она создает такое поле, а с другой – сама испытывает воздействие поля тяготения, создаваемого другими телами. При этом гравитационная масса не зависит от ускорения в поле тяготения и определяется только силой тяготения.

Поле тяготения совершенно одинаково действует на различные тела, сообщая им одинаковые ускорения, независимо от их массы, химического состава и других свойств, а в зависимости лишь от напряженности поля. Еще Галилей установил на падающей башне в Пизе, что все тела на Земле падают с одним и тем же ускорением. А Ньютон обратил внимание на то, что периоды колебаний математического маятника зависят не от массы шара, а от длины нити. Следовательно, сила тяготения определяется массой тела, а ускорение тела в поле тяготения массой тела не определяется. Тела с разной массой в данном поле тяготения движутся одинаково, если их начальные скорости одинаковы.

Таким образом, ниоткуда не следует, что гравитационная масса, которая создает поле тяготения, должна одновременно определять и инерцию тела, меру его сопротивления действию силы. Вместе с тем существует поразительная закономерность – количественное тождество гравитационной и инертной масс. Многочисленные опыты показали, что гравитационная и инертная массы эквивалентны друг другу.

После долгих размышлений Эйнштейн приходит к выводу, что две системы отсчета, одна из которых движется ускоренно, а другая хотя и покоится, но в ней действует однородное поле тяготения, в отношении механических явлений эквивалентны и неразличимы. Иначе говоря, в физике нет таких средств, которые могли бы отличить эффект гравитации от эффекта ускорения. Силы инерции в ускоренных системах отсчета эквивалентны гравитационному полю. Это утверждение Эйнштейн иллюстрирует примером: наблюдатель, находящийся в закрытой кабине лифта, не может определить движется ли лифт ускоренно или внутри лифта действуют силы тяготения. Эквивалентность, существующая между ускорением и однородным полем тяготения, Эйнштейн считает возможным распространить на любые физические явления. Этот расширенный принцип эквивалентности и был положен в основу ОТО. Эйнштейн пришел к выводу, что реальное гравитационное поле будет эквивалентно ускоренным системам только в том случае, если пространство-время является искривленным, т.е. неевклидовым. Он писал: «Наш мир неевклидов. Геометрическая природа его образована массами и их скоростями. Гравитационные ускорения ОТО стремятся раскрыть геометрические свойства нашего мира».

Эйнштейн исходил из того, что пространственно-временной континуум носит риманов характер. А римановым называется пространство постоянной положительной кривизны. Его наглядный образ - поверхность обычной сферы, на которой кратчайшая линия не является прямой.

С точки зрения ОТО пространство нашего мира не обладает постоянной нулевой кривизной. Кривизна его может меняться от точки к точке и определяется полем тяготения. Поле тяготения является отклонением свойств реального пространства от свойств идеального (евклидова) пространства.

Итак, ОТО основывается на двух принципах:

1) Принцип относительности: законы физики должны иметь один и тот же вид не только в инерциальных, но и в неинерциальных системах отсчета.

Принцип эквивалентности гравитационной и инертной масс.

Следствия ОТО:

Сила тяжести эквивалентна искривлению пространства и искривление пространства эквивалентно действию силы тяготения. Поле тяготения в каждой точке определяется значением кривизны пространства в этой точке. Причем искривление пространства-времени в этой точке определяется не только массой вещества, из которого слагается данное тело, но и всеми видами энергии, присутствующими в нем.
Свет в искривленном пространстве-времени не может распространяться с одной и той скоростью, как требовала СТО. Вблизи источников силы тяготения он распространяется медленнее, чем вдали от него.
Ход часов замедляется при приближении к источнику гравитации.
В структуре пространство-время-энергия возможны структуры, где сила гравитации настолько сильна, что этой структурой, как своеобразной «черной дыры» можно пренебречь.

Создав ОТО Эйнштейн указал на 3 явления, объяснение которых его теорией и теорией Ньютона давали разные результаты:

поворот плоскости орбиты Меркурия;

отклонение световых лучей, проходящих вблизи Солнца;

красное смещение спектральных линий света, излучаемого с поверхности массивных тел.

Эффект поворота плоскости орбиты Меркурия был открыт еще астрономом Леверрье в 19 в. Речь идет о повороте плоскости орбиты Меркурия вокруг большой оси эллипса, по которому Меркурий движется вокруг Солнца. Теория Ньютона не давала объяснения этому явлению.

Согласно ОТО планеты, завершая полный поворот вокруг Солнца, не могут возвращаться в то же самое место, а сдвигаются несколько вперед и их орбиты поворачиваются медленно в своей плоскости.

В соответствии с ОТО в результате действия поля тяготения движение материальной точки, как и светового луча, уже не является равномерным и прямолинейным. Луч света, проходя мимо тела, обладающего сильным полем тяготения, должен искривляться. Этот эффект может быть обнаружен при наблюдении солнечного затмения. Если сравнить положения группы звезд, находящихся на небесной сфере вблизи Солнца во время его затмения, с положением этой же группы ночью, то, согласно ОТО, в первом случае лучи от этих звезд, проходя около поверхности Солнца, должны искривляться в его гравитационном поле. Следовательно, будут выглядеть смещенными относительно их обычного положения на небесной сфере. Экспедиции по проверке данного эффекта подтвердили теорию Эйнштейна. Затмение 29 мая 1919 года представляло собой особенно благоприятный случай, когда в поле наблюдений оказывалось большое число ярких звезд. В Великобритании под руководством А.Эддингтона были сформированы две экспедиции: одна направилась в Бразилию (Собрал), другая – на остров Принсипи, расположенный вблизи африканского материка. Как отмечалось в отчете, «результаты экспедиций в Собрал и на Принсипи оставляют мало сомнения в том, что луч света отклоняется вблизи Солнца и что отклонение, если приписать его действию гравитационного поля Солнца, по величине соответствует требованиям общей теории относительности Эйнштейна».

Другой результат, полученный в теории Эйнштейна, - наличие красного смещения в спектрах небесных тел – был подтвержден рядом опытов 1923-1926 гг. при наблюдении спектров Солнца и обладающего чрезвычайно большим полем тяготения спутника Сириуса.

Как любая физическая теория, ОТО имеет свою область применимости. Она не распространяется на квантовые объекты в гравитации, которые проявляют себя на расстояниях 10-33 см, в точках сингулярности, черных дырах. Для описания таких процессов необходима квантовая теория тяготения, в которой объединяются принципы релятивистской и квантовой физики.

ОСНОВНЫЕ ПРИНЦИПЫ КВАНТОВОЙ МЕХАНИКИ.

В 1900 г. немецкий физик Макс Планк предположил, что излучение и поглощение света веществом происходит конечными порциями – квантами, причем энергия каждого кванта пропорциональна частоте испускаемого излучения:

Е=h ,

где - частота испускаемого (или поглощаемого) излучения, а h – универсальная постоянная, называемая постоянной Планка. По современным данным

h = (6,62618 0,00004) 10-34Джс.

Гипотеза Планка явилась отправным пунктом возникновения квантовых представлений, положенных в основу принципиально новой физики – физики микромира, называемой квантовой физикой. Огромную роль в ее становлении сыграли глубокие идеи датского физика Нильса Бора и его школы. В основе квантовой механики лежит непротиворечивый синтез корпускулярных и волновых свойств материи. Волна – весьма протяженный в пространстве процесс (вспомните волны на воде), а частица – это намного более локальный, чем волна, объект. Свет при определенных условиях ведет себя не как волна, а как поток частиц. В то же время элементарные частицы обнаруживают подчас волновые свойства. В рамках классической теории невозможно объединить волновые и корпускулярные свойства. Поэтому создание новой теории, описывающей закономерности микромира, привело к отказу от обычных представлений, справедливых для макроскопических объектов.

С квантовой точки зрения и свет, и частицы представляют собой сложные объекты, обнаруживающие как волновые, так и корпускулярные свойства (так называемый корпускулярно-волновой дуализм). Создание квантовой физики было стимулировано попытками осмыслить строение атома и закономерности спектров излучения атомов.

В конце 19 века было обнаружено, что при падении света на поверхность металла, из последней испускаются электроны. Это явление назвали фотоэффектом.

В 1905 г. Эйнштейн объяснил фотоэффект на основе квантовой теории. Он ввел предположение о том, что энергия в пучке монохроматического света состоит из порций, величина которых равна h. Физическая размерность величины h равна времяэнергия=длинаимпульс=момент количества движения. Такой размерностью обладает величина, называемая действием, и поэтому h называют элементарным квантом действия. Согласно Эйнштейну, электрон в металле, поглотив такую порцию энергии, совершает работу выхода из металла и приобретает кинетическую энергию

Ек=h Авых.

Это уравнение Эйнштейна для фотоэффекта.

Дискретные порции света позже (в 1927 г.) были названы фотонами.

В науке при определении математического аппарата всегда следует исходить из характера наблюдаемых экспериментальных явлений. Немецкий физик Шредингер добился грандиозных достижений, попробовав другую стратегию научного поиска: сначала математика, а затем понимание ее физического смысла и в результате интерпретация природы квантовых явлений.

Было ясно, что уравнения квантовой механики должны быть волновыми (ведь квантовые объекты обладают волновыми свойствами). Эти уравнения должны иметь дискретные решения (квантовым явлениям присущи элементы дискретности). Такого рода уравнения были известны в математике. Ориентируясь на них, Шредингер предложил использовать понятие волновой функции «». Для частицы, свободно движущейся вдоль оси Х, волновая функция =е-i|h(Et-px), где р - импульс, х - координата, Е-энергия, h-постоянная Планка. Функция «» называется волновой потому, что для ее описания используется экспоненциальная функция.

Состояние частицы в квантовой механике описывается волновой функцией, позволяющей определить лишь вероятность нахождения частицы в данной точке пространства. Волновая функция описывает не сам объект и даже не его потенциальные возможности. Операции с волновой функцией позволяют вычислить вероятности квантово-механических событий.

Основополагающими принципами квантовой физики являются принципы суперпозиции, неопределенности, дополнительности и тождественности.

Принцип суперпозиции в классической физике позволяет получить результирующий эффект от наложения (суперпозиции) нескольких независимых воздействий как сумму эффектов, вызываемых каждым воздействие в отдельности. Он справедлив для систем или полей, описываемых линейными уравнениями. Этот принцип очень важен в механике, теории колебаний и волновой теории физических полей. В квантовой механике принцип суперпозиции относится к волновым функциям: если физическая система может находиться в состояниях, описываемых двумя или несколькими волновыми функциями 1,2,…, то она может находиться в состоянии, описываемом любой линейной комбинацией этих функций:

=c11+c22+….+сnn,

где с1, с2,…сn – произвольные комплексные числа.

Принцип суперпозиции является уточнением соответствующих представлений классической физики. Согласно последней, в среде, не меняющей свои свойства под действием возмущений, волны распространяются независимо друг от друга. Следовательно, результирующее возмущение в какой-либо точке среды при распространении в ней нескольких волн равно сумме возмущений, соответствующих каждой из этих волн:

S = S1+S2+….+Sn,

где S1, S2,…..Sn – возмущения, вызываемые волной. В случае негармонической волны ее можно представить как сумму гармонических волн.

Принцип неопределенности состоит в том, что невозможно одновременно определить две характеристики микрочастицы, например, скорости и координаты. Он отражает двойственную корпускулярно-волновую природу элементарных частиц. Погрешности, неточности, ошибки при одновременном определении в эксперименте дополнительных величин связаны соотношением неопределенностей, установленным в 1925г. Вернером Гейзенбергом. Соотношение неопределенностей состоит в том, что произведение неточностей любых пар дополнительных величин (например, координаты и проекции импульса на нее, энергии и времени) определяется постоянной Планка h. Соотношения неопределенностей свидетельствуют о том, что чем определеннее значение одного из параметров, входящих в соотношения, тем неопределеннее значение другого параметра и наоборот. Имеется в виду, что параметры измеряются одновременно.

Классическая физика приучила к тому, что все параметры объектов и происходящих с ними процессов могут быть измерены одновременно с какой угодно точностью. Это положение опровергается квантовой механикой.

Датский физик Нильс Бор пришел к выводу, что квантовые объекты относительны к средствам наблюдения. О параметрах квантовых явлений можно судить лишь после их взаимодействия со средствами наблюдения, т.е. с приборами. Поведение атомных объектов невозможно резко отграничить от их взаимодействия с измерительными приборами, фиксирующими условия, при которых происходят эти явления. При этом приходится учитывать, что приборы, которые используются для измерения параметров, разнотипны. Данные, полученные при разных условиях опыта, должны рассматриваться как дополнительные в том смысле, что только совокупность разных измерений может дать полное представление о свойствах объекта. В этом и состоит содержание принципа дополнительности .

В классической физике измерение считалось не возмущающим объект исследования. Измерение оставляет объект неизменным. Согласно квантовой механике, каждое отдельно проведенное измерение разрушает микрообъект. Чтобы провести новое измерение, приходится заново готовить микрообъект. Это усложняет процесс синтеза измерений. В этой связи Бор утверждает взаимодополнительность квантовых измерений. Данные классических измерений не взаимодополнительны, они имеют самостоятельный смысл независимо друг от друга. Взаимодополнение имеет место там, где исследуемые объекты неотличимы друг от друга и взаимосвязаны между собой.

Бор соотносил принцип дополнительности не только с физическими науками: «цельность живых организмов и характеристики людей, обладающих сознанием, а также и человеческих культур представляют черты целостности, отображение которых требует типично дополнительного способа описания». По мысли Бора, возможности живых существ столь многообразны и так тесно взаимосвязаны, что при их изучении вновь приходится обращаться к процедуре взаимодополнения данных наблюдений. Однако, эта мысль Бора не получила должного развития.

Особенности и специфика взаимодействий между компонентами сложных микро- и макросистем. а также внешних взаимодействий между ними приводит к громадному их многообразию. Для микро- и макросистем характерна индивидуальность, каждая система описывается присущей только ей совокупностью всевозможных свойств. Можно назвать различия между ядром водорода и урана, хотя оба относятся к микросистемам. Не меньше различий между Землей и Марсом, хотя эти планеты принадлежат одной и той же Солнечной системы.

Однако можно говорить о тождественности элементарных частиц. Тождественные частицы обладают одинаковыми физическими свойствами: массой, электрическим зарядом и другими внутренними характеристиками. Например, все электроны Вселенной считаются тождественными. Тождественные частицы подчиняются принципу тождественности – фундаментальному принципу квантовой механики, согласно которому: состояния системы частиц, получающихся друг из друга перестановкой тождественных частиц местами, нельзя различить ни в каком эксперименте.

Этот принцип – основное различие между классической и квантовой механикой. В квантовой механике тождественные частицы лишены индивидуальности.

СТРОЕНИЕ АТОМА И АТОМНОГО ЯДРА. ЭЛЕМЕНТАРНЫЕ ЧАСТИЦЫ.

Первые представления о строении вещества возникли в Древней Греции в 6-4 в.в. до н.э. Аристотель считал вещество непрерывным, т.е. его можно дробить на сколько угодно малые части, но так и не дойти до мельчайшей частицы, которая дальше не делилась бы. Демокрит считал, что все в мире состоит из атомов и пустоты. Атомы – мельчайшие частицы вещества, значит «неделимые», и в представлении Демокрита атомы это сферы с зубчатой поверхностью.

Такое мировоззрение существовало вплоть до конца 19 века. В 1897г. Джозеф Джон Томсон (1856-1940г.г.), родной сын У.Томсона, дважды лауреат Нобелевской премии открыл элементарную частицу, которая была названа электроном. Было установлено, что электрон вылетает из атомов и имеет отрицательный электрический заряд. Величина заряда электрона е=1,6.10-19 Кл (Кулон), масса электрона m=9,11.10-31 кг.

После открытия электрона Томсон в 1903 году выдвинул гипотезу о том, что атом представляет собой сферу, по которой размазан положительный заряд, и в виде изюминок вкраплены электроны с отрицательными зарядами. Положительный заряд равен отрицательному, в целом атом электрически нейтрален (суммарный заряд равен 0).

В 1911 году проводя опыт, Эрнст Резерфорд установил, что положительный заряд не размазан по объему атома, а занимает лишь небольшую его часть. После этого им была выдвинута модель атома, которая впоследствии получила название планетарной. Согласно этой модели атом действительно представляет собой сферу, в центре которой расположен положительный заряд, занимая малую часть этой сферы – порядка 10-13 см. Отрицательный заряд находится на внешней, так называемой электронной оболочке.

Более совершенную квантовую модель атома предложил датский физик Н.Бор в 1913 году, работавший в лаборатории Резерфорда. Он взял за основу модель атома Резерфорда и дополнил ее новыми гипотезами, которые противоречат классическим представлениям. Эти гипотезы известны как постулаты Бора. Они сводятся к следующему.

Каждый электрон в атоме может совершать устойчивое орбитальное движение по определенной орбите, с определенным значением энергии, не испуская и не поглощая электромагнитного излучения. В этих состояниях атомные системы обладают энергиями, образующими дискретный ряд: Е1, Е2,…Еn. Всякое изменение энергии в результате испускания или поглощения электромагнитного излучения может происходить скачком из одного состояния в другое.
1. При переходе электрона с одной стационарной орбиты на другую, происходит испускание или поглощение энергии. Если при переходе электрона с одной орбиты на другую энергия атома изменяется от Еm до Еn, то hv= Еm- Еn, где v – частота излучения.

Эти постулаты Бор использовал для расчета простейшего атома водорода,

Область, в которой сосредоточен положительный заряд, называется ядром. Было предположение, что ядро состоит из положительных элементарных частиц. Эти частицы, названные протонами (в переводе с греческого протон означает первый), были обнаружены Резерфордом в 1919 году. Их заряд по модулю равен заряду электрона (но положительный), масса протона равна 1,6724.10-27 кг. Существование протона было подтверждено в результате проведения искусственной ядерной реакции превращения азота в кислород. Атомы азота облучались ядрами гелия. В результате получался кислород и протон. Протон это стабильная частица.

В 1932 году Джеймсом Чадвиком была открыта частица, которая не имела электрического заряда и обладала массой, почти равной массе протона. Эта частица была названа нейтроном. Масса нейтрона равна 1,675.10-27 кг. Нейтрон был открыт в результате облучения -частицами пластинки из бериллия. Нейтрон является нестабильной частицей. Отсутствие заряда объясняет его легкую способность проникать в ядра атомов.

Открытие протона и нейтрона привело к созданию протонно-нейтронной модели атома. Она была предложена в 1932 году советскими физиками Иваненко, Гапоном и немецким физиком Гейзенбергом. Согласно этой модели ядро атома состоит из протонов и нейтронов, за исключением ядра водорода, которое состоит из одного протона.

Заряд ядра определяется количеством в нем протонов и обозначается символом Z. Вся масса атома заключена в массе его ядра и определяется массой входящих в него протонов и нейтронов, поскольку масса электрона ничтожно мала по сравнению с массами протона и нейтрона. Порядковый номер в периодической таблице Менделеева соответствует заряду ядра данного химического элемента. Массовое число атома А равно массе нейтронов и протонов: А=Z+N, где Z – количество протонов, N – количество нейтронов. Условно любой элемент обозначается символом: АХz.

Существуют ядра, которые содержат одинаковое число протонов, но разное число нейтронов, т.е. отличающиеся массовым числом. Такие ядра называются изотопами. Например, 1Н1 - обычный водород, 2Н1 - дейтерий, 3Н1 - тритий. Наибольшей устойчивостью обладают ядра, в которых число протонов равно числу нейтронов или тех и других одновременно = 2, 8, 20, 28, 50, 82, 126 – магические числа.

Размеры атома приблизительно 10-8 см. Атом состоит из ядра размером в 10-13 см. Между ядром атома и границей атома находится огромное пространство по масштабам в микромире. Плотность в ядре атома огромна, приблизительно 1,5·108 т/см3. Химические элементы с массой А<50 называются легкими, а с А>50 – тяжелыми. В ядрах тяжелых элементов тесновато, т.е. создается энергетическая предпосылка для их радиоактивного распада.

Энергия, необходимая для расщепления ядра на составляющие его нуклоны, называют энергией связи. (Нуклоны – обобщенное название протонов и нейтронов и в переводе на русский язык означает «ядерные частицы»):

Есв = mс2,

где m – дефект массы ядра (разница между массами нуклонов, образующих ядро, и массой ядра).

В 1928г. физиком-теоретиком Дираком была предложена теория электрона. Элементарные частицы могут вести себя подобно волне – они обладают корпускулярно-волновым дуализмом. Теория Дирака дала возможность определить, когда электрон ведет себя как волна, а когда – как частица. Он заключил, что должна существовать элементарная частица, обладающая такими же свойствами, как и электрон, но с положительным зарядом. Такая частица позже была обнаружена в 1932 году и названа позитроном. Американский физик Андерсен на фотографии космических лучей обнаружил след частицы, аналогичный электрону, но с положительным зарядом.

Из теории следовало, что электрон и позитрон, взаимодействуя между собой (реакция аннигиляции), образуют пару фотонов, т.е. квантов электромагнитного излучения. Возможен и обратный процесс, когда фотон, взаимодействуя с ядром, превращается в пару электрон – позитрон. Каждой частице сопоставляется волновая функция, квадрат амплитуды которой равен вероятности обнаружить частицу в определенном объеме.

В 50-х годах ХХ века было доказано существование антипротона и антинейтрона.

Еще 30 лет назад полагали, что нейтроны и протоны – элементарные частицы, но эксперименты по взаимодействию движущихся с большими скоростями протонов и электронов показали, что протоны состоят из еще более мелких частиц. Эти частицы впервые исследовал Гелл Манн и назвал их кварками. Известно несколько разновидностей кварков. Предполагают, что существует 6 ароматов: U – кварк (up), d-кварк (down), странный кварк(strange), очарованный кварк (charm), b - кварк (beauty) , t-кварк (truth)..

Кварк каждого аромата имеет один из трех цветов: красный, зеленый, синий. Это просто обозначение, т.к. размер кварков намного меньше длины волны видимого света и поэтому цвета у них нет.

Рассмотрим некоторые характеристики элементарных частиц. В квантовой механике каждой частице приписывают особый собственный механический момент, который не связан ни с перемещением ее в пространстве, ни с ее вращением. Этот собственный механический момент наз. спином. Так, если повернуть электрон на 360о, то следовало бы ожидать, что он вернется в исходное состояние. Однако исходное состояние будет достигнуто только при еще одном повороте на 360о. Т.е., чтобы вернуть электрон в исходное состояние, его надо повернуть на 720о, по сравнению со спином мы воспринимаем мир лишь наполовину. Пример, на двойной проволочной петле бусинка вернется в исходное положение при повороте на 720о. Такие частицы обладают полуцелым спином . Спин дает нам сведения, как выглядит частица, если смотреть на нее с разных сторон. Например, частица со спином «0» похожа на точку: она выглядит одинаково со всех сторон. Частицу со спином «1» можно сравнить со стрелой: с разных сторон она выглядит по-разному и принимает прежний вид при повороте на 360о. Частицу со спином «2» можно сравнить со стрелой, заточенной с обеих сторон: любое ее положение повторяется с полуоборота (180о). Частицы с более высоким спином возвращаются в исходное состояние при повороте на еще меньшую часть полного оборота.

Частицы с полуцелым спином называются фермионами, а частицы с целым спином – бозонами. До недавнего времени считалось, что бозоны и фермионы есть единственно возможные виды неразличимых частиц. На самом деле существует ряд промежуточных возможностей, а фермионы и бозоны - лишь два предельных случая. Такой класс частиц называют энионами.

Частицы вещества подчиняются принципу запрета Паули, открытому в 1923 году австрийским физиком Вольфганом Паули. Принцип Паули гласит: в системе двух одинаковых частиц с полуцелыми спинами в одном и том же квантовом состоянии не может находиться более одной частицы. Для частиц с целым спином ограничений нет. Это значит, что две одинаковые частицы не могут иметь координаты и скорости, одинаковые с той точностью, которая задается принципом неопределенности. Если частицы вещества имеют очень близкие значения координат, то их скорости должны быть разными, и, следовательно, они не могут находиться долго в точках с этими координатами.

В квантовой механике предполагается, что все силы и взаимодействия между частицами переносятся частицами с целочисленным спином, равным 0,1,2. Это происходит следующим образом: например, частица вещества испускает частицу, которая является переносчиком взаимодействия (например, фотон). В результате отдачи скорость частицы меняется. Затем частица-переносчик «налетает» на другую частицу вещества и поглощается ею. Это соударение изменяет скорость второй частицы, как-будто между этими двумя частицами вещества действует сила. Частицы–переносчики, которыми обмениваются частицы вещества, называются виртуальными, потому что, в отличие от реальных, их нельзя зарегистрировать при помощи детектора частиц. Однако они существуют, потому что они создают эффект, поддающийся измерению.

Частицы-переносчики можно классифицировать на 4 типа в зависимости от величины переносимого ими взаимодействия и от того, с какими частицами они взаимодействуют и от того, с какими частицами они взаимодействуют:

1) Гравитационная сила. Всякая частица находится под действием гравитационной силы, величина которой зависит от массы и энергии частицы. Это слабая сила. Гравитационные действуют на больших расстояниях и всегда являются силами притяжения. Так, например, гравитационное взаимодействие удерживает планеты на их орбитах и нас на Земле.

В квантовомеханическом подходе к гравитационному полю считается, что сила, действующая между частицами материи, переносится частицей со спином «2», которая называется гравитоном. Гравитон не обладает собственной массой и поэтому переносимая им сила, является дальнодействующей. Гравитационное взаимодействие между Солнцем и Землей объясняется тем, что частицы, из которых состоят Солнце и Земля обмениваются гравитонами. Эффект от обмена этими виртуальными частицами поддается измерению, потому что этот эффект – вращение Земли вокруг Солнца.

2) Следующий вид взаимодействия создается электромагнитными силами, которые действуют между электрически заряженными частицами. Электромагнитное взаимодействие намного сильнее гравитационного: электромагнитная сила, действующая между двумя электронами, примерно в 1040 раз больше гравитационной силы. Электромагнитное взаимодействие обуславливает существование стабильных атомов и молекул (взаимодействие между электронами и протонами). Переносчиком электромагнитного взаимодействия выступает фотон.

3) Слабое взаимодействие. Оно отвечает за радиоактивность и существует между всеми частицами вещества со спином . Слабое взаимодействие обеспечивает длительное и ровное горение нашего Солнца, дающего энергию для протекания всех биологических процессов на Земле. Переносчиками слабого взаимодействия являются три частицы - W± и Z0-бозоны. Они были открыты лишь в 1983г. Радиус слабого взаимодействия чрезвычайно мал, поэтому его переносчики должны обладать большими массами. В соответствии с принципом неопределенности время жизни частиц с такой большой массой должно быть чрезвычайно коротким-10-26с.

4) Сильное взаимодействие представляет собой взаимодействие, которое удерживает кварки внутри протонов и нейтронов, а протоны и нейтроны внутри атомного ядра. Переносчиком сильного взаимодействия считается частица со спином «1», которая называется глюоном. Глюоны взаимодействуют только с кварками и с другими глюонами. Кварки, благодаря глюонам, связываются парами или тройками. Сильное взаимодействие при высоких энергиях ослабевает и кварки и глюоны начинают вести себя как свободные частицы. Это свойство называют асимптотической свободой. В результате экспериментов на мощных ускорителях получены фотографии треков (следов) свободных кварков, родившихся в результате столкновения протонов и антипротонов высокой энергии. Сильное взаимодействие обеспечивает относительную стабильность и существование ядер атомов. Сильное и слабое взаимодействие характерно для процессов микромира, ведущих к взаимопревращениям частиц.

Сильные и слабые взаимодействия стали известны человеку только в первой трети 20 века в связи с изучением радиоактивности и осмыслением результатов бомбардировок атомов различных элементов -частицами. -частицы выбивают и протоны, и нейтроны. Цель рассуждений привела физиков к убеждению, что протоны и нейтроны сидят в ядрах атомов, будучи крепко связанными друг с другом. Налицо сильные взаимодействия. С другой стороны, радиоактивные вещества испускают -, - и -лучи. Когда в 1934 году Ферми создал первую достаточно адекватную экспериментальным данным теорию, то ему пришлось предположить наличие в ядрах атомов незначительных по своим интенсивностям взаимодействий, которые и стали называть слабыми.

Сейчас принимаются попытки объединения электромагнитного, слабого и сильного взаимодействия, чтобы в результате получилась так называемая ТЕОРИЯ ВЕЛИКОГО ОБЪЕДИНЕНИЯ. Эта теория проливает свет на само наше существование. Не исключено, что наше существование есть следствие образования протонов. Такая картина начала Вселенной представляется наиболее естественной. Земное вещество в основном состоит из протонов, но в нем нет ни антипротонов, ни антинейтронов. Эксперименты с космическими лучами показали, что то же самое справедливо и для всего вещества в нашей Галактике.

Характеристики сильного, слабого, электромагнитного и гравитационного взаимодействий приведена в таблице.

Взаимодействие	Сравнительная интенсивность	Радиус действия,м	Время протекания процесса,сек.
Сильное	1	10-15	10-23
Электромагнитное	10-4		10-20
Слабое	10-20	10-13	10-10
Гравитационное	10-40		-

Порядок интенсивности каждого взаимодействия, указанный в таблице, определен по отношению к интенсивности сильного взаимодействия, принятого за 1.

Приведем классификацию наиболее известных в настоящее время элементарных частиц.

ФОТОН. Масса покоя и электрический заряд его равны 0. Фотон имеет целочисленный спин и является бозоном.

ЛЕПТОНЫ. Этот класс частиц не участвует в сильном взаимодействии, но обладает электромагнитными, слабыми и гравитационными взаимодействиями. Лептоны имеют полуцелый спин и относятся к фермионам. Элементарным частицам, входящим в эту группу, приписывается некоторая характеристика, называемая лептонным зарядом. Лептонный заряд , в отличие от электрического, не является источником какого-либо взаимодействия, его роль пока полностью не выяснена. Значение лептонного заряда у лептонов L=1, у антилептонов L= -1, всех остальных элементарных частиц L=0.

МЕЗОНЫ. Это нестабильные частицы, которым присуще сильное взаимодействие. Название «мезоны» означает «промежуточный» и обусловлено тем, что первоначально открытые мезоны имели массу большую, чем у электрона, но меньшую, чем у протона. В настоящее время известны мезоны, массы которых больше массы протонов. Все мезоны имеют целый спин и, следовательно являются бозонами.

БАРИОНЫ. В этот класс входит группа тяжелых элементарных частиц с полуцелым спином (фермионы) и массой, не меньшей массы протона. Единственным стабильным барионом является протон, нейтрон стабилен лишь внутри ядра. Для барионов характерны 4 вида взаимодействия. В любых ядерных реакциях и взаимодействиях их общее число остается неизменным.

КОСМОЛОГИЧЕСКИЕ КОНЦЕПЦИИ.

Космология – это наука об общих пространственно-временных свойствах материи. Это учение о Вселенной в целом, учение о космосе, где под космосом понимают весь мир, окружающий нашу планету.

Дадим определения некоторым терминам, которые важны для понимания концепций эволюции Вселенной.

Метагалактика – доступная наблюдению часть мироздания на основе непосредственных и косвенных методов изучения. На современном уровне горизонт Метагалактики, доступный наблюдению с помощью телескопов наземного и космического базирования, составляет более 1028м. Вселенная – вся система мироздания, включающая Метагалактику и все выходящее за ее пределы. Галактика – крупномасштабная структура во Вселенной, состоящая из межзвездной среды и большого количества звезд, находящихся в гравитационном взаимодействии между собой и межзвездной средой. «Население космоса» - скопления и сверхскопления галактик, звезды, системы звезд, системы звезда-планеты, планеты.

Систематическое исследование галактик было начато в начале прошлого века. Возраст нашей Галактики приблизительно 1010 лет. Важным достижением астрофизики прошлого века было открытие межзвездной среды (МЗС). Объекты МЗС называют облаками. Исследование МЗС нашей Галактики показало, что химический состав Солнца аналогичен химическому составу МЗС: 90% водорода, 7% гелия, 2-3% тяжелые химические элементы.

В классификации американского астронома Хаббла выделены несколько типов галактик, в каждом из которых существуют подтипы. Он определил примерное процентное распределение наблюдаемых галактик: эллиптические по форме (~25%), спиральные (~50%), линзообразные (~20%) и пекулярные (неправильной формы) галактики (~5%).

Галактики объединяются в устойчивые структуры: скопления и сверхскопления галактик. Наша Галактика входит в скопление галактик, которое называют Местной системой. В нее входят наша Галактика, галактика Туманность Андромеды, спиралеобразная галактика из созвездия треугольник и еще 31 звездная система. Поперечник этой системы 7 млн. световых лет. Местная система входит в гигантское сверхскопление галактик, поперечник которой составляет 100 млн. лет.

Современная астрономия использует в астрономических исследованиях метод радиологических измерений. В основе этого метода лежит закон «периода полураспада радиоактивного элемента». Период полураспада означает промежуток времени, в течение которого исходное число химического элемента уменьшается вдвое. Например, уран-238 превращается в свинец-206. Вычислив соотношение количества стабильных ядер химического элемента свинца и числа не распавшихся ядер урана-238 в геологической породе, можно установить примерный ее возраст.

Наша Галактика имеет спиралеобразную форму: при рассмотрении ее сбоку она имеет вид диска с утолщением в центре, сверху вид спирали, образованной двумя рукавами, расходящимися из ядра Галактики. Масса нашей Галактики более 21011масс Солнца (масса Солнца более 21030кг). Те отдельные звезды, которые мы можем различить на ночном небе, - ближайшие к нам звезды нашей Галактики. Большая же часть Галактики видна лишь как размытая световая полоса, пересекающая небо. Это так называемый Млечный Путь. Благодаря этому нашу Галактику может легко наблюдать каждый: на ночном небе светящаяся полоса Млечного Пути представляет собой огромное количество удаленных звезд нашей Галактики, диск которой мы видим как бы «с ребра».

Наша Галактика состоит приблизительно из 200 млрд. звезд, среди которых есть и наше Солнце. Она пронизана магнитными полями, заполнена космическими лучами. Возраст Галактики около 15 млрд.лет. Солнечная система обращается вокруг центра Галактики со скоростью около 220 км/с. Центр нашей Галактики лежит в направлении на созвездие Стрельца (хотя расположен гораздо дальше). Солнце совершает один полный оборот вокруг центра Галактики за 250 млн.лет.

Центр Галактик наблюдать в оптические приборы не удается из-за мощного слоя межзвездной пыли, ослабляющего свет в десятки тысячи раз. Зато он доступен наблюдениям в рентгеновском и инфракрасном диапазонах. Данные внеоптической астрономии, а также наблюдения в оптические телескопы за движением близких к центру Галактики звезд позволяют сделать вывод, что ядром Галактики является черная дыра.

Черная дыра – область пространства, в которой поле тяготения настолько сильно, что вторая космическая скорость (параболическая скорость) для находящихся в этой области тел должна превышать скорость света, т.е. из черной дыры ничто не может вылететь – ни излучение, ни частицы, ибо в природе ничто не может двигаться со скоростью, превышающей скорость света. Границу области, за которую ничто не выходит, даже свет, называют горизонтом черной дыры.

Для того, чтобы поле тяготения смогло «запереть» излучение и вещество, создающая это поле масса звезды должна сжаться до объема, радиус которого меньше гравитационного радиуса r=2GM/с2, где G-гравитационная постоянная, с-скорость света, М-масса звезды. Гравитационный радиус очень мал даже для больших масс. Например, для Солнца r3км, а для Земли всего 0,8см. Звезда с массой, равной массе Солнца, всего лишь за тысячную долю секунды превратится из обычной звезды в черную дыру.

Свойства черной дыры крайне необычны. Особый интерес вызывает возможность гравитационного захвата черной дырой тел, прилетающих из бесконечности. Если скорость тела вдали от черной дыры много меньше световой и траектория его движения подойдет близко к окружности с R=2r, то тело совершит много оборотов вокруг черной дыры. Прежде чем улетит в космос. Если же тело вплотную подойдет к указанной окружности, то его орбита будет неограниченно навиваться на окружность, тело окажется гравитационно захваченным черной дырой и уже никогда не улетит в космос. Если же тело подлетит еще ближе к черной дыре, то после нескольких оборотов, или даже не успев совершить ни одного, оно упадет в черную дыру.

Необычным свойством черной дыры является фундаментальное замедление времени. Представим себе двух наблюдателей: одного на поверхности коллапсирующей звезды, а другого далеко от нее. Предположим, что первый наблюдатель посылает сигналы второму через равные промежутки времени, информируя о происходящем. По мере приближения первого наблюдателя к гравитационному радиусу сигналы, которые он посылает через равные промежутки времени, будут достигать другого наблюдателя через более длительные интервалы времени. Если первый наблюдатель передаст последний сигнал как раз перед тем, как звезда достигнет гравитационного радиуса, то сигналу потребуется почти бесконечное время для того, чтобы прийти к удаленному наблюдателю. Второй наблюдатель никогда не увидит пересечение первым наблюдателем горизонта черной дыры. Если же наблюдатель послал сигнал после того, как достиг гравитационного радиуса, напарник никогда не примет его, потому что сигнал никогда не покинет звезду. Оказавшись внутри черной дыры, наблюдатель не может вернуться к поверхности. Он не может даже приостановиться в том месте, где оказался. Он попадает в область бесконечной плотности, где время кончается.

Черная дыра так сильно искривляет пространство. Что как бы отсекает себя от Вселенной. Она буквально может исчезнуть из нашей Вселенной. Возникает вопрос - куда? Математический анализ дает несколько решений. Особенно интересно одно из них: черная дыра может перемещаться в другую часть нашей Вселенной или даже внутрь иной вселенной. Таким образом, воображаемый космический путешественник мог бы использовать черную дыру для передвижения в пространстве и времени нашей Вселенной и даже проникновения в другую вселенную. Правда, в реальности у человека нет шансов сохраниться во время его падения в черную дыру. Во время свободного падения тело будет разорвано грандиозными силами тяготения. Попадающего под горизонт черной дыры воображаемого путешественника ждет сильнейшая вспышка рентгеновских и гамма-лучей, губительного для всего живого.

Рождение черной дыры во время гравитационного коллапса является важным указанием на то, что с геометрией пространства-времени происходит нечто необычное – пространство и время меняются ролями. То, что во внешней вселенной связывается с расстоянием, ведет себя подобно времени, а то, что в нашей Вселенной характеризуется временем, в черной дыре ведет себя как пространство.

Теоретически коллапс должен завершиться образованием сингулярности, т.е. должен продолжаться до тех пор, пока черная дыра не достигнет нулевых размеров и бесконечной плотности. Во всяком случае, момент сингулярности – это, возможно, момент перехода из нашей Вселенной в другие вселенные или момент перехода в другие точки в прошлом или будущем нашей Вселенной.

PAGE 31

ЕСТЕСТВЕННАЯ И ГУМАНИТАРНАЯ КУЛЬТУРЫ