Концепции современного естествознания

В современной научно обоснованной концепции системной организации материи обычно выделяют три структурных уровня материи:

мегамир - мир космоса (планеты, звездные комплексы, галактики, метагалактики); мир огромных космических масштабов и скоростей, расстояние измеряется световыми годами, а время миллионами и миллиардами лет;

макромир - мир устойчивых форм и соразмерных человеку величин: земных расстояний и скоростей, масс и объемов; размерность макрообъектов соотносима с масштабами человеческого опыта - пространственные величины от долей миллиметра до километров и временные измерения от долей секунды до лет.

микромир - мир атомов и элементарных частиц - предельно малых непосредственно ненаблюдаемых объектов, размерность от 10-8 см до 10-16 см, а время жизни - от бесконечности до 10-24 с.

Изучение иерархии структурных уровней природы связано с решением сложнейшей проблемы определения границ этой иерархии как в мегамире, так и в микромире. Объекты каждой последующей ступени возникают и развиваются в результате объединения и дифференциации определенных множеств объектов предыдущей ступени. Системы становятся все более многоуровневыми. Сложность системы возрастает не только потому, что возрастает число уровней. Существенное значение приобретает развитие новых взаимосвязей между уровнями и со средой, общей для таких объектов и их объединений.

Микромир, будучи подуровнем макромиров и мегамиров, обладает совершенно уникальными особенностями и поэтому не может быть описан теориями, имеющими отношение к другим уровням природы. В частности, этот мир изначально парадоксален. Для него не применим принцип «состоит из». Так, при соударении двух элементарных частиц никаких меньших частиц не образуется. После столкновения двух протонов возникает много других элементарных частиц - в том числе протонов, мезонов, гиперонов. Феномен «множественного рождения» частиц объяснил Гейзенберг: при соударении большая кинетическая энергия превращается в вещество, и мы наблюдаем множественное рождение частиц. Микромир активно изучается. Если 50 лет назад было известно всего лишь 3 типа элементарных частиц (электрон и протон как мельчайшие частицы вещества и фотон как минимальная порция энергии), то сейчас открыто около 400 частиц. Второе парадоксальное свойство микромира связано с двойственной природой микрочастицы, которая одновременно является волной и корпускулой. Поэтому ее невозможно строго однозначно локализовать в пространстве и времени. Эта особенность отражена в принципе соотношения неопределенностей Гейзенберга.

Наблюдаемые человеком уровни организации материи осваиваются с учетом естественных условий обитания людей, т.е. с учетом наших земных закономерностей. Однако это не исключает предположения о том, что на достаточно удаленных от нас уровнях могут существовать формы и состояния материи, характеризующиеся совсем другими свойствами. В связи с этим ученые стали выделять геоцентрические и негеоцентрические материальные системы.

Геоцентрический мир - эталонный и базисный мир ньютонова времени и эвклидова пространства, описывается совокупностью теорий, относящихся к объектам земного масштаба. Негеоцентрические системы - особый тип объективной реальности, характеризующийся иными типами атрибутов, иным пространством, временем, движением, нежели земные. Существует предположение о том, что микромир и мегамир - это окна в негеоцентрические миры, а значит, их закономерности хотя бы в отдаленной степени позволяют представить иной тип взаимодействий, чем в макромире или геоцентрическом типе реальности.

Еще одна типология материальных систем имеет сегодня достаточно широкое распространение. Это деление природы на неорганическую и органическую, в которой особое место занимает социальная форма материи. Неорганическая материя - это элементарные частицы и поля, атомные ядра, атомы, молекулы, макроскопические тела, геологические образования. Органическая материя также имеет многоуровневую структуру: доклеточный уровень - ДНК, РНК, нуклеиновые кислоты; клеточный уровень - самостоятельно существующие одноклеточные организмы; многоклеточный уровень - ткани, органы, функциональные системы (нервная, кровеносная и др.), организмы (растения, животные); надорганизменные структуры - популяции, биоценозы, биосфера. Социальная материя существует лишь благодаря деятельности людей и включает особые подструктуры: индивид, семья, группа, коллектив, государство, нация и др.

Основные понятия темы:

Развитие - необратимое направленное изменение структуры объектов природы.

Структура - это относительно устойчивый порядок внутренних отношений между подсистемами или элементами системы.

Система - определенная целостность, образованная совокупностью взаимодействующих частей, элементов.

Элементы - явления, свойства и отношения, находящиеся во взаимосвязи и соотношении друг с другом в рамках некоторой целостности.

Уровень организации - определенный этап в последовательной смене структур в ходе исторического развития системы с момента ее возникновения.

Мегамир - структурный уровень материи, включающий мир космоса (планеты, звездные комплексы, галактики, метагалактики).

Макромир - мир устойчивых форм и соразмерных человеку величин (мир земных расстояний и скоростей, масс и объемов).

Микромир - мир атомов и элементарных частиц.

Геоцентрический мир - эталонный и базисный мир ньютонова времени и эвклидова пространства, описывается совокупностью теорий, относящихся к объектам земного масштаба.

Негеоцентрический мир - особый тип объективной реальности, характеризующийся иными типами атрибутов, иным пространством, временем, движением по сравнению с нашим, земным миром.

Стохастический - случайный.

Самоорганизация - процесс взаимодействия элементов, в результате которого происходит возникновение нового порядка или структуры в системе.

Тема 6. Макромир: вещество и поле. Принципы классической физики

1. Корпускулярная и континуальная концепции природы

На смену натурфилософскому подходу к описанию природы приходит механический. Он принес большие успехи, за исключением области оптических и электромагнитных явлений, где механика была бессильна, полностью их объяснить. В рамках своего механического понимания мира И. Ньютон создал корпускулярную теорию света: свет - это поток материальных частиц. Светящиеся тела излучают частицы, движущиеся в соответствии с законами механики, и вызывают ощущения света при попадании в глаз. На основе этой теории Ньютон объяснял законы отражения и преломления света.

Х. Гюйгенс (нидерландский ученый) сформулировал волновую теорию, которая по аналогии с движением волн на поверхности воды объясняла движение света. В пространстве существует упругая среда - светоносный эфир. Главный аргумент, который он приводил в защиту своей теории, - факт пересечения двух лучей света, которые пронизывают друг друга точно также как два ряда волн на воде. Против этой теории был такой факт: волны обтекают препятствие, а световой луч этого делать не может. Тень от непрозрачного предмета, помещенного на пути света, имеет резкую границу. Итальянский физик Гримальди с помощью увеличительных линз обнаружил на границах тени слабые участки освещенности в виде перемежающихся светлых и темных полос - ореолов. Это явление получило название дифракции света (разломанный). Однако авторитет Ньютона был настолько высок, что именно его теория света пользовалась признанием, хотя и не могла объяснить явление дифракции.

В нач. ХIХ в. английский физик Т. Юнг и французский физик О. Френель объяснили явление интерференции - появление темных полосок при наложении света на свет. Парадокс: свет, добавленный к свету, не обязательно дает усиление, а может дать более слабый свет или даже темноту. Так как свет - это колебания упругой среды, при наложении волн в противоположных фазах они уничтожают друг друга, поэтому появляются темные полосы.

В области электромагнитных явлений Фарадей и Максвелл показали неадекватность механической модели. Датский физик Эрстед открыл явление электромагнетизма: стрелка компаса, помещенного над проводником, по которому шел электрический ток, отклонялась. Фарадей ввел понятие «силовые линии». Он был убежден, что оптика и электричество взаимосвязаны и образуют единую область - «поле сил». Максвелл дал математическую разработку идеи Фарадея и рассматривал поле как самостоятельную физическую реальность. Фарадей предложил гипотезу, Максвелл создал теорию, а немецкий физик Герц дал экспериментальное подтверждение. В физике окончательно утвердилось понятие «поле» как физическая реальность, новый вид материи.

В конце XIX в. физики пришли к выводу, что материя существует в виде дискретного вещества и непрерывного поля. Вещество и поле различаются:

- вещество дискретно, поле непрерывно;

- вещество обладает массой покоя, а поле - нет;

- вещество малопроницаемо, поле полностью проницаемо;

- скорость распространения поля равна скорости света, скорость движения частиц на много порядков меньше.

Таким образом, вещество - вид материи, обладающий корпускулярными свойствами, для его характеристики используются масса покоя, спин, заряд и др.; поле - вид материи, который описывается длиной волны, фазой, амплитудой и их изменениями в пространстве и времени. Понятие поля нашло применение и в механике, где с его помощью был объяснен феномен гравитации.

2. Детерминизм. Динамические и статистические закономерности

Все явления и процессы в мире связаны между собой. Принцип детерминизма является выражением этой взаимосвязи и дает ответ на вопрос, существует ли в мире упорядоченность и обусловленность всех явлений, или же мир есть неупорядоченный хаос. В механической картине мира все связи между явлениями носят однозначный характер, поэтому миром правит необходимость, а случайностям нет места. П. Лаплас утверждал, что если бы мы в данный момент знали обо всех явлениях природы, то смогли бы логически вывести все события будущего. Следствием механистического детерминизма является фатализм.

Центральным понятием детерминизма является «закон». Закон понимается как объективная, всеобщая, необходимая, повторяющаяся связь между явлениями.

Отличительной особенностью законов классической механики состоит в том, что предсказания, полученные на их основе, носят достоверный и однозначный характер. Они получили название динамических. Динамические закономерности характеризуют поведение изолированных, индивидуальных объектов и позволяют установить точно определенную связь между отдельными состояниями объекта. Иначе говоря, динамические закономерности проявляются в каждом конкретном случае строго однозначно. Механистический детерминизм абсолютизировал динамические закономерности. Позже выяснилось, что не все явления подчиняются динамическим законам. В механике Ньютона и электродинамике Максвелла господствовал классический детерминизм, в рамках которого формируются динамические законы, однозначно связывающие физические параметры отдельных состояний объекта. Наряду с ними в науке с середины XIX века стали все шире применяться законы другого типа. Их предсказания не являются однозначными, а только вероятными. Именно это обстоятельство долгое время служило препятствием для признания их в науке как полноценных законов. Они рассматривались как вспомогательное средство для обобщения и систематизации эмпирических фактов. Эти законы получили название статистических.

Статистические закономерности проявляются в массе явлений и имеют форму тенденции. Эти законы называют вероятными, поскольку они описывают состояние индивидуального объекта лишь с определенной долей вероятности. Статистическая закономерность возникает как результат взаимодействия большого числа элементов и поэтому характеризует их поведение в целом. Необходимость в статистических закономерностях проявляется через действие множества случайных факторов. Эти законы, как и динамические, являются выражением детерминизма. Понятие вероятности в рамках статистического закона выражает степень возможности осуществления явления в конкретной совокупности условий. Вероятность есть количественное выражение возможности, шкала которой располагается от 0 до 1. При вероятности, равной нулю, данное событие никогда не наступает, при вероятности, равной единице, это событие наступает в каждом конкретном случае.

Поскольку динамические законы выражали необходимый характер связи, обеспечивающий точность и достоверность предсказания, их называли детерминистскими. Эта терминология сохранилась до настоящего времени, когда статистические законы по традиции называют индетерминистскими, что не соответствует действительности.

Итак, и динамические, и статистические закономерности выражают детерминизм. Однако это совершенно разные формы.

Классический, или лапласовский, детерминизм основан на представлении, согласно которому весь окружающий мир - это огромная механическая система, поэтому все будущие состояния ее строго предопределены ее начальным состоянием. В основе этой формы детерминизма лежат универсальные законы классической физики.

Вероятностный детерминизм опирается на статистические законы.

Когда сравнивают эти формы выражения регулярности в мире, то обычно обращают внимание на степень достоверности их предсказаний. Строго детерминистские законы дают точные предсказания в тех областях, где можно абстрагироваться от сложного характера взаимодействия между телами, отвлекаться от случайностей и тем самым значительно упрощать действительность. Однако такое упрощение возможно лишь при изучении простейших форм движения. Когда же переходят к исследованию сложных систем, состоящих из большого числа элементов, индивидуальное поведение которых трудно поддается описанию, тогда обращаются к статистическим законам, опирающимся на вероятностные предсказания.

Таким образом, в современной концепции детерминизма органически сочетаются необходимость и случайность. Поэтому мир и события в нем не являются ни фаталистически предопределенными, ни чисто случайными, ничем не обусловленными. Классический детерминизм чрезмерно подчеркивал роль необходимости за счет отрицания случайности в природе и поэтому давал искаженное представление о картине мира. Признание самостоятельности статистических законов, отображающих существование случайных событий, дополняет прежнюю картину строго детерминистского мира. В результате этого необходимость и случайность выступают как взаимосвязанные аспекты, случайность понимается как форма проявления необходимости. Таким образом, детерминизм становится вероятностным.

3. Основные принципы термодинамики. Значение законов термодинамики в описании явлений природы

Статистическое описание природы находит свое воплощение в термодинамике. Термодинамика базируется на двух основных законах.

Закон сохранения энергии. Он выполняется во всех явлениях природы и подтверждается опытом человечества.

Q = U - A, где U - внутренняя энергия, A - работа.

Тепло, сообщенное системе, расходуется на увеличение ее внутренней энергии и на совершение работы против внешних сил. В другой редакции этот закон звучит так: нельзя построить действующую машину, которая бы совершала работу, больше подводимой к ней извне энергии (вечный двигатель первого рода невозможен).

Тепловые процессы протекают самопроизвольно только в определенном направлении, такие процессы называются необратимыми. То есть тепло перетекает от более нагретого тела к менее нагретому.

Второе начало термодинамики указывает на существование двух форм энергии - теплоты (связанной с неупорядоченным, хаотическим движением) и работы, связанной с упорядоченным движением. Немецкий физик Р. Клаузиус использовал для формулировки второго закона термодинамики понятие энтропии, которое впоследствии австрийский физик Л. Больцман интерпретировал в терминах изменения порядка в системе. Когда энтропия системы возрастает, то соответственно усиливается беспорядок (хаос) в системе.

Энтропия замкнутой системы, т.е. системы, которая не обменивается с окружением ни энергией, ни веществом, постоянно возрастает (второе начало термодинамики).

Таким образом, такие системы эволюционируют в сторону увеличения в них беспорядка, хаоса и дезорганизации, пока не достигнут точки термодинамического равновесия, в которой работа становится невозможной. В точке термодинамического равновесия энтропия максимальна. Поскольку об изменении систем в классической термодинамике мы можем судить по увеличению их энтропии, то энтропия и выступает в качестве своеобразной стрелы времени.

Отличие термодинамической модели от классической механики: необратимость времени.

Отличие от эволюционной теории Дарвина: эволюция - это естественный отбор и усложнение организации систем; термодинамическая же система движется к дезорганизации систем.

Первую попытку распространить законы термодинамики на Вселенную предпринял Р. Клаузиус, выдвинув два постулата:

1. Энергия Вселенной всегда постоянна.

2. Энтропия Вселенной всегда возрастает.

Все процессы во Вселенной направлены в сторону термодинамического равновесия - состояния, характеризующегося наибольшей степенью хаоса, беспорядка и дезорганизации. Во Вселенной должна наступить «тепловая смерть».

Живые организмы, являясь открытыми системами, постоянно обмениваются с окружающей средой веществом и энергией; получая энергию, организмы упорядочиваются, т.е. снижается энтропия. Но если рассматривать систему «организм - среда» в целом, энтропия постоянно растет.

Законы классической механики строго инвариантны, неизменны относительно изменения знака времени: замена «+t» на « -t» ничего в них не меняет. Поэтому и говорят, что механика обратима. Если мы абсолютно точно знаем начальные координаты и импульсы частиц, то можем узнать сколь угодно далекое прошлое и сколь угодно далекое будущее системы. Конечно, практически это осуществить невозможно, ни один компьютер не справится с такой задачей. Главное то, что мы можем это сделать теоретически. В мире ньютоновской механики все события раз и навсегда предопределены, это мир строгого детерминизма, в нем нет места случайностям.

А вот согласно второму началу термодинамики, в изолированной системе все процессы протекают только в одном направлении - к максимальной энтропии, возрастанию хаоса, что сопровождается рассеянием энергии. Проблема, которая потребовала своего решения, выглядела так: как можно вывести необратимость термодинамики из обратимости механики?

Эту проблему пытался решить во второй половине XIX века Л. Больцман. Он обратил внимание на то, что термодинамическая необратимость имеет смысл только для большого числа частиц: если частиц мало, то система оказывается фактически обратимой. Для того чтобы согласовать микроскопическую обратимость с макроскопической необратимостью, Больцман использовал вероятностное описание системы. Однако вскоре было показано, что уже само по себе вероятностное описание в неявном виде содержит представление о существовании "стрелы времени", и поэтому доказательство Больцмана нельзя считать корректным решением проблемы.

Сам Больцман пришел к выводу, что вся бесконечная Вселенная в целом обратима, а наш мир представляет собой по космическим меркам микроскопическую флуктуацию. А в середине XX века пулковский астроном Н.А. Козырев попытался создать необратимую механику, в которой "стрела времени" имеет характер физической реальности и служит источником энергии звезд. Но точка зрения Больцмана допускает возможность нарушения причинности в отдельных достаточно обширных областях Вселенной, а точка зрения Козырева вводит в описание природы некую особую физическую сущность, подобную «жизненной силе».

4. Основные понятия, законы и принципы классической физики

Классическая физика понимается как фундаментальная база исследования макрообъектов. Для иллюстрации этого положения рассмотрим следующий пример. Как движется автомобиль? Поступательное движение поршней в цилиндрах преобразуется во вращательное движение колес. Колеса отталкиваются от поверхности дороги, и в результате автомобиль перемещается в пространстве по отношению к окружающим предметам. Все эти процессы изучает «Механика». Началом «цепочки» механических движений является движение поршня, который толкает газообразная смесь в камере сгорания. Процессы в газах изучает «Молекулярная физика». Часть энергии рабочей смеси преобразуется в энергию поршня, а часть «выбрасывается» в виде теплоты вместе с отработанными газами, расходуется на последующее сжатие рабочей смеси и т.д. Эти энергетические процессы, от которых зависят КПД и мощность двигателя, изучает «Термодинамика». Электромагнитные процессы в системе зажигания изучает «Электродинамика». Поскольку эти процессы формируются с помощью транзисторов микросхем и других устройств, которые основаны на квантовых явлениях, то они изучаются «Квантовой физикой».

Таким образом, движение автомобиля представляет собой сумму самых разных явлений. Различные специальные дисциплины изучают отдельные явления, агрегаты и узлы автомобиля. Это связано с их сложностью и привело к дифференциации науки. Однако самое первое описание движения автомобиля связано с основными законами классической физики.

Самый простой вид движения материи в макромире - это перемещение тел по отношению к другим телам. Для его описания используются основные понятия кинематики: движение, скорость, ускорение, относительность движения, система отсчета, материальная точка, траектория и т.п. и основные законы, объясняющие механическое движение, - законы Ньютона:

Всякое тело сохраняет состояние покоя или равномерного прямолинейного движения, пока оно не понуждается приложенными силами изменить это состояние. (Закон инерции).

Изменение количества движения пропорционально приложенной действующей силе и происходит по направлению той прямой, по которой эта сила действует (второй закон - главный закон динамики).

Действие всегда есть равное и противоположно направленное противодействие, т.е. взаимодействия двух тел друг на друга между собой равны и направлены в противоположные стороны (третий закон).

Согласно законам механики - основной причиной движения является действие сил. Поэтому анализу понятия силы в классической физике уделяется большое внимание. Силы делятся на: силу упругости (она связана с деформацией тел) и силу трения. Природа этих сил связана с электрическим взаимодействием между атомами; силу тяготения (ее называют силой тяжести, под ее действием свободные тела падают на Землю). Сила тяготения часто проявляется в виде веса - силы, с которой тело действует на опору; силу инерции.

Существуют разные формы движения материи (механическая, тепловая, электрическая и т.д.), которые могут переходить друг в друга. Поэтому физика использует важнейшее понятие, выражающее меру перехода одних форм движения в другие, - это энергия. Важнейшие законы классической физики - законы сохранения:

Закон сохранения энергии: энергия не уничтожается и не создается, а может лишь переходить из одной формы в другую.

Закон сохранения импульса: если сумма внешних сил равна нулю, импульс системы тел остается постоянным при любых происходящих в ней процессах.

Страницы: 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10, 11, 12, 13, 14, 15, 16, 17, 18, 19, 20, 21