Глава 2. Наиболее общие свойства

МАТЕРИАЛЬНОГО МИРА И УРОВНИ

ОРГАНИЗАЦИИ МАТЕРИИ

2.1. Наиболее общие свойства материального мира

При изучении античного периода истории естествознания мы уже говорили, что в древнегреческой науке сложились две основные физические концепции: концепция непрерывности материи и атомистическая концепция. Эти ключевые идеи античной науки явились истоком двух конкурирующих подходов в описании материального мира, которые развивались и воплощались в конкретных теориях естествознания на протяжении многих веков. Ими было положено начало континуальной и корпускулярной традиций в науке о природе.

2.1.1. Корпускулярная концепция. Модель корпускулы и ее универсальные характеристики. В корпускулярной концепции главное центральное место занимает фундаментальная модель корпускулы (модель частицы). Эта модель должна быть универсальной, т. е. ей должно соответствовать поведение объектов и космического масштаба, и макроскопических тел, и микрообъектов. Приведем примеры таких разных объектов: галактика, планеты, летательный аппарат, молекула, мяч, пуля, атомное ядро. Каждый из этих объектов мы можем рассматривать как корпускулу, абстрагируясь от ее внутренних свойств.

Принципиально важными в модели корпускулы являются два допущения (10):

1. Если в каком-то конкретном случае при изучении объекта не имеет значение внутренняя структура объекта и связанные с этой структурой характеристики (например, размер объекта), то этот реальный объект может быть заменен моделью корпускулы. Важно, что при этом поведение объекта рассматривается как поведение целого, и для его описания берутся только такие характеристики, которые достаточно полно отражают его поведение, т. е. универсальные фундаментальные характеристики (масса объекта — теперь уже корпускулы и ее энергия, скорость движения, электрический заряд, валентность химического элемента и т. д.).

2. Моделируемый объект необходимо обособить от окружения. Это можно сделать двумя способами:

— окружением пренебречь, тогда это модель свободной частицы,

— второй способ основан на концепции контролируемого воздействия: воздействие окружения учитывают введением специальной характеристики — результирующей силы, которая определяется окружением объекта, тогда это модель несвободной частицы под учитываемым (контролируемым) воздействием окружения.

Мы знаем, что со времен классической механики произошло становление математического описания природных процессов, это делает науку точной, поэтому надо выбрать такую модель, чтобы она допускала описание явления математическими средствами. Образец такого выбора продемонстрировал Ньютон. Он предложил идею модели материальной точки — базовой модели механики.

Материальной точкой называют модель тела, размерами которого можно пренебречь по сравнению с пространственными параметрами движения, в котором данное тело участвует.

Далее эта модель участвует в конкретных искусственно воспроизводимых ситуациях, когда те или иные тела могут считаться материальными точками.

В механике бывают и другие модельные представления, но тоже тесно связанные с базовой моделью материальной точки, например: абсолютно твердое тело (система жестко связанных материальных точек), траектория (воображаемая линия, которую материальная точка описывает в пространстве при своем движении) и др.

Законы Ньютона, мы знаем это, являются обобщением результатов экспериментальных исследований. Именно сочетание экспериментального исследования механических процессов и их математического описания на основе корпускулярной модели привело к появлению первой полноценной научной теории, теории механических процессов — ньютоновской механики, которая, как мы уже знаем, определила целую эпоху в развитии естествознания.

2.1.2. Модель механического процесса. Закономерности динамического типа. Классический детерминизм. В ньютоновской механике физическая реальность характеризуется понятиями: пространства, времени, материальной точки, а все физические события сводятся к движению материальных точек в пространстве в соответствии с законами Ньютона. Такое моделирование реальности делает ее описание простым и доступным для математического представления.

В спомним известные вам по школьному курсу физики уни­версальные величины, которые используют для описания пове­дения любого тела, моделируемого материальной точкой:

1. Положение материальной точки характеризуется тремя скалярными координатами (х, у, z) или радиусом — вектором r (cм. рис. 3).

2. И нтенсивность и направление движения задается вектором скорости (cм. рис. 4).

3. Изменение скорости задается вектором ускорения .

4. Контролируемое воздействие задается вектором силы (cм. рис. 5).

5. И нерционные свойства материальной точки характеризуются мерой инертности тела — его массой m.

Не лишним будет именно здесь припомнить все три закона Ньютона, в соответствии с которыми происходит изменение состояния материальной точки (или корпускулы), а значит и ее характеристик.

Первый закон Ньютона: Всякая материальная точка (объект) сохраняет состояние покоя или равномерного прямолинейного движения до тех пор, пока воздействие со стороны других тел не заставит ее изменить это состояние.

Стремление тела сохранить состояние покоя или равномерного прямолинейного движения называется инертностью или инерцией. Поэтому первый закон Ньютона называют законом инерции.

Второй закон Ньютона: Ускорение, приобретаемое материальной точкой (объектом), пропорционально вызывающей его силе и обратно пропорционально массе материальной точки (объекта): a = F/m, где m — масса материальной точки, F — сила, вызывающая ускорение.

Третий закон Ньютона: Всякое действие материальных точек (объектов) носит характер взаимодействия, силы, с которыми действуют друг на друга материальные точки, всегда равны по модулю, противоположно направлены и действуют вдоль прямой, соединяющей эти точки: F₁₂ = –F₂₁, где F₁₂ — сила, действующая на первую материальную точку со стороны второй, F₂₁ — сила, действующая на вторую материальную точку со стороны первой.

Законы Ньютона позволяют решать многие задачи механики — от простых до сложных. Спектр таких задач расширился после разработки Ньютоном и его последователями нового для того времени математического аппарата — дифференциального и интегрального исчисления, широко применяемого в настоящее время для решения задач естествознания и математики.

Законы Ньютона (законы механики) позволяют по известному состоянию механической системы в один из моментов времени и известным взаимодействиям (силам) однозначно определить ее состояние в любой другой момент времени.

Аналогичные возможности однозначного описания обнаруживаются и для многих немеханических природных систем. Все закономерности, которые, подобно законам механики, позволяют по известным взаимодействиям и начальным состояниям однозначно предвычислять будущие состояния системы, именуют закономерностями динамического типа (11).

Из такой однозначности состояния системы вытекает представление о жесткой предопределенности (детерминированности) множества событий в мире.

Долгое время считали, что если было бы возможно уточнить все взаимодействия всех элементов сколь угодно сложной системы, собрать и использовать всю информацию об их начальных состояниях, то было бы можно рассчитать состояние этой системы в будущем и тем самым исключить случайность в описании ее поведения. Такое представление, впервые четко сформулированное Пьером Симоном Лапласом (1749–1827), французским физиком, астрономом, математиком получило название классического лапласовского детерминизма (механистического детерминизма (11).

Л

В наше время в естественнонаучном смысле детерминизм стал нетипичен. В более широком смысле детерминизм проявляется как определенный образ мышления, корнями уходящий в механистическую картину мира. В этом смысле детерминизм проявляется повсюду: на обыденном уровне, в различных сферах профессиональной деятельности, например в экономике или педагогике. Элементы детерминизма как составную часть мировоззрения можно обнаружить в высказываниях и действиях многих политиков. В каждом таком случае речь идет об упрощенном, однозначном восприятии действительности, связанном с неучетом роли случайных факторов и абсолютизирование причинно-следственных связей, реально действующих в окружающем мире.

апласовский детерминизм выражает уверенность в том, что все происходящее имеет причину в человеческом понятии и есть познанная и еще непознанная разумом необходимость. Суть лапласовского детерминизма можно понять из высказываний Лапласа: «Со­временные события имеют с событиями предшествующими связь, основанную на очевидном принципе, что никакой предмет не может начать быть без причины, которая его произвела… Воля, сколь угодно свободная, не может без определенного мотива породить действия, даже такие, которые считаются нейтральными… Мы должны рассматривать современное состояние Вселенной как результат ее предшествующего состояния и причину последующего. Разум, который для какого-нибудь данного момента знал бы все силы, действующие в природе, и относительное расположение ее составных частей, если бы он, кроме того, был достаточно обширен, чтобы подвергнуть эти данные анализу, обнял бы в единой формуле движения самых огромных тел во Вселенной и самого легкого атома, для него не было бы ничего неясного, и будущее, как и прошлое, было бы у него перед глазами…Кривая, описываемая молекулой воздуха или пара, управляется столь же строго и определенно, как и планетные орбиты: между ними лишь та разница, что налагается нашим неведением» (7).

Развитие естествознания показало, что большая часть происходящих в природе процессов не может быть описана однозначно и для них трудно определить причину. Однозначные закономерности могут быть использованы лишь для систем и процессов, в которых допустимо пренебречь влиянием множества реально существующих случайных факторов. Например, нельзя использовать законы Ньютона для описания радиоактивного распада из-за большой доли случайности в этом физическом процессе. Подобные процессы объективно случайны, а не потому, что мы не можем указать их причину из-за недостатка наших знаний.

Абсолютно точное описание всего прошедшего и предсказание будущего для колоссального разнообразия материальных объектов, явлений и процессов — задача сложная и лишенная объективной необходимости. Но в то же время практика показывает: истинность законов классической механики не вызывает сомнений. Большое значение классической механики с ее корпускулярной концепцией заключается в том, что она навсегда останется совершенно необходимым «мостом», соединяющим человека как макросубъекта познания с все более глубокими уровнями микро- и мегамира.

2.1.3. Континуальная концепция. Развитие континуальной концепции. С развитием физики выяснилось, что вместить модели всех известных явлений в рамки корпускулярной концепции невозможно. Поэтому в середине XIX века получила новое развитие континуальная концепция. Впрочем, она никогда не забывалась и всегда сосуществовала наряду с корпускулярной концепцией (см. раздел «Естествознание в эпоху античности (VI в. до н. э – V н.э.)»). В эпоху Возрождения выдающимся продолжателем континуальной традиции в естествознании был Декарт (XVII век).

Рене Декарт (1596–1650) — французский философ, физик, математик. Декарт воспринимал пространство как материальное тело, непроницаемость материальных тел он присваивал самому пространству. По Декарту, сама среда и есть пространство. Пространство ни в коем случае не является сосудом для среды. Декарт представлял некий флюид как материальную сущность пространства, который охватывает и облегает все вращающиеся тела и вращается вместе с ними, образуя вихри пространства. Именно этот флюид дает ощущение силы тяжести, света, тепла (10).

В XVIII веке картина природы была дополнена понятием силового поля. В XIX веке областью применения и развития континуального представления стало учение об электромагнетизме.

В результате из-за введения в научный оборот понятий электрического и магнитного силовых полей континуальная концепция возродилась и окончательно закрепилась в физике. Наиболее полное выражение континуальная концепция нашла в теории Максвелла, главным понятием которой является электромагнитное поле как особый вид материи, обеспечивающий взаимодействие между электрически заряженными частицами.

Новое возрождение континуальной концепции не было связано с отрицанием корпускулярных взглядов на вещество, но дополнило их и расширило общие представления о формах материи (11).

Модель сплошной среды и модель поля (11). Модель сплошной среды — одна из базовых моделей в рамках континуальной концепции. Она может рассматриваться как предельный случай системы взаимодействующих частиц. Эту модель применяют при описании процессов коллективного движения частиц — потоков жидкости, газов и т. д.

Вообще модель сплошной среды по своему смыслу является моделью вещественной формы материи, но термин «сплошная среда» применяется и шире — для обобщенного обозначения как вещественной, так и полевой форм материи. Простые и наглядные случаи описания с помощью поля возникают в связи с движением сплошной среды типа текущей жидкости.

Совокупность значений физической величины (температуры, давления, скорости и т. д.), характеризующей сплошную среду в каждой ее точке, называют полем этой величины (поле температур, поле давлений, поле скоростей и т. д.). Например, поле скоростей показывает непрерывное изменение в пространстве от точки к точке величины и направления скорости некоторого потока. Иначе это можно назвать непрерывной функцией пространственного распределения скорости. Такие функции являются очень удобным инструментом описания объектов в модели сплошной среды.

Таким образом, вместо набора координат и скоростей отдельных частиц, из которых состоит реальная среда, ее состояние характеризуют функциями координат и времени, описывающих распределение различных величин в пространстве, например скорости. При этом важно отметить, что однозначный характер зависимостей между физическими величинами здесь налицо.

При полевом описании модели сплошной среды само понятие «поле» обозначает не физический объект, а математический образ в виде непрерывной функции координат.

Для всех таких случаев общим математическим инструментом, независимым от конкретной физической природы явлений, стала так называемая теория поля, дающая способы описания любых скалярных или векторных полей. При этом не имеет значения, с какими реальными объектами они связаны.

Полевое описание для большей наглядности обычно иллюстрируется графическими образами: силовыми линиями, линиями тока, изотермами, изобарами, эквипотенциальными поверхностями и т. д.

Волны в сплошной среде. Поле может изменяться во времени, т. е. быть нестационарным. К простейшим типам нестационарности полей относится волновое движение — периодическое изменение картины поля от точки к точке с течением времени. Волновое движение коротко называют волной. Это специфический вид движения, связанный с континуумом. Характеристики этого движения не локализованы как у отдельной частицы, а непрерывно распределены в пространстве.

Волну можно представлять как распространяющееся в пространстве колебание — т. е. процесс, который повторяется во времени (периодический процесс). При колебании любая величина, характеризующая состояние колеблющейся системы, принимает одинаковые значения через равные промежутки времени (периоды колебаний). Периодические процессы в окружающем мире представлены очень широко. Это и простые колебания, подобные колебаниям маятника. Это и сложные процессы в земной атмосфере, мировом океане, живых системах. Но независимо от природы колебаний они могут быть описаны с помощью одной и той же математической модели.

Гармонические колебания — простейший вариант периодического процесса, когда изменение физической величины в зависимости от времени происходит по закону синуса или косинуса.

Кроме гармонических колебаний бывают прямоугольные, пилообразные и другие весьма сложные колебания. Очень важно, что к сумме гармонических колебаний можно свести любой сложный периодический процесс (колебание). Кроме того, с помощью специальных устройств (гармонических анализаторов) можно из любого негармонического колебания выделить его составляющие (пример: разложение белого цвета призмой на «простые» цвета).

В сплошной среде существует две разновидности волн:

— волны на границе раздела двух сред (например, волны на поверхности воды),

— упругие волны в объеме среды (акустические волны или звук).

Ф

Понятие эфира, искусственно привнесенное в естествознание для обозначения специфического носителя электромагнитного излучения, т. е. некой особой «сплошной среды», «истинного континуума», потеряло смысл, однако выражение «в эфире», «эфир», связанные с работой радио- и телестанций, живут и поныне.

изическое поле. Электромагнитные волны. Электромагнитная картина мира (11). Понятие поля, используемое в сплошной среде, как мы уже говорили, имеет чисто математический смысл. Но подлинно континуальной «сплошной» средой в рамках классической физики является одна из полевых форм материи — электромагнитное поле. В этом случае математический образ полностью совпадает с физической системой — физическим полем. Существует теория Максвелла (см. вторую физическую картину мира) — теория электродинамики. Эта теория совершенно не зависит от механики Ньютона и представляет собой описание качественно иного по сравнению с телами (корпускулами) природного объекта — электромагнитного поля, электромагнитных волн.

Сначала считали, что электромагнитные волны распространяются в особой среде, связанной с абсолютной системой отсчета — так называемым эфиром. Но из теории Максвелла вытекала возможность «автономного» существования электромагнитного поля как отдельного вида материи (без всякого эфира). Позже эта гипотеза нашла прямое экспериментальное подтверждение в опытах Герца.

В дальнейшем классическая электродинамика Максвелла послужила основой для зарождения в XIX веке так называемой электромагнитной картины мира (см. выше вторую картина мира), которая существенно изменила представления о природе. Например, такие механические явления, как упругость, трение, тоже получили объяснение на основе электрического взаимодействия между частицами — атомами, молекулами.

Все принципиально новые открытия, которые были сделаны при построении электродинамики, не внесли каких-либо изменений в представление о динамическом характере законов природы. Связи между величинами, входящими в уравнения электродинамики, остаются однозначными, как и в механике.

Однако в работах Фарадея (экспериментально) и работах Максвелла (теоретически), а также многих других ученых было показано, что существуют электромагнитные поля (в том числе и в вакууме) и именно они передают электромагнитные колебания. Выяснилось, что и видимый свет представляет электромагнитные колебания в определенном диапазоне частот. Было установлено, что электромагнитные волны делятся на несколько видов в шкале колебаний с условно выделенными диапазонами, в границах которых волны обладают заметным отличием свойств и применений (3):

Название излучения Длины волн излучения

радиоволны 10³ – 10^-4 м

световые волны 10^-4 – 10^-9 м

инфракрасное излучение 5·10^-4 – 8·10^-7 м

видимый свет 8·10^-7 м – 4·10^-7 м

ультрафиолетовое излучение 4·10^-7 м – 10^-9 м

рентгеновское излучение 2·10^-9 – 6·10^-12

гамма-излучение менее 6·10^-12 м

Основные диапазоны радиоволн — это длинные, средние, короткие и ультракороткие волны, выделяют также диапазоны метровых и дециметровых волн.

Радиоволны длиной 100–10 км (частота 3–30 кГц и длиной 10–1 км (частота 30–300 кГц) называются сверхдлинными (СДВ) и длинными волнами. Они распространяются в свободном пространстве вдоль поверхности Земли днем и ночью и мало поглощаются водой. Поэтому их используют для связи с подводными лодками. Однако они сильно ослабевают по мере удаления от передатчика, и поэтому передатчики должны быть очень мощными.

Волны длиной 1000–100 м (частота 0,3–3 МГЦ), так называемые средние волны (СВ), днем сильно поглощаются ионосферой (верхним слоем атмосферы, имеющим большую концентрацию ионов — заряженных атомов, образующих ионосферу) и быстро ослабевают, а ночью ионосфера их отражает. Средние волны используют для радиовещания, причем днем можно слышать только близкорасположенные станции, а ночью и очень удаленные.

Радиоволны длиной 10 м – 0,3 мм (частота 30 МГц – 1 Тгц), называемые ультракороткими (УКВ), не отражаются и не поглощаются ионосферой, а, подобно световым лучам, пронизывают ее и уходят в космос. Поэтому связь на УКВ возможна только на таких расстояниях, когда антенна приемника «видит» антенну передатчика, когда ничто не преграждает путь этим волнам (гора, дом, выпуклость Земли и т. д.). Поэтому УКВ используют в основном для радиорелейной связи, телевидения, спутниковой связи, а также радиолокации.

Сегодня средствами радиосвязи оснащены все виды самолетов, морских и речных судов, научные экспедиции. Все более широкое развитие находит диспетчерская связь на железных дорогах, на стройках, в шахтах. Космическая радиосвязь позволяет преодолеть огромные расстояния в сотни и тысячи километров, с ее помощью мы получаем ценную научную информацию.

Н

О биополе человека. Инфракрасное излучение присуще каждому живому организму, в том числе и человеку. Различные составляющие инфракрасного излучения исходят от разных источников в организме: кожного покрова (характеризует температуру кожи), внутренних органов и мозга (несет информацию о динамике тепловых полей этих органов). Помимо инфракрасного излучения, человеческий организм является источником слабых электрических и магнитных полей, они дают представление о биоэлектрической активности сердца, мозга, мышц.

Человеческое тело является также источником слабых акустических волн (в инфразвуковом диапазоне). Они обусловлены работой сердца, легких и др. органов. В совокупности все перечисленные виды электромагнитных полей и акустических волн составляют так называемое биополе человека.

Иное понимание термина «биополе», связанное с представлениями о существовании неких загадочных, «неизученных», а тем более – неких недоступных изучению полей нефизической природы, полностью неверно и лишено смысла. Тем не менее миф о каком-то особом, нефизическом «биополе» человека широко распространен.

о радио — это не только радиотелефонная и радиотелеграфная связь, радиовещание и радиотелевидение, но и радиолокация, радиоастрономия и многие другие области техники.

Диапазон видимого излучения соответствует возможностям зрительного восприятия света человеком. Электромагнитные волны, доступные зре­нию, занимают узкий отрезок в общем спектре электромагнитного излучения.

Диапазон инфракрасного излучения. Его источником являются тела, температура которых отлична от абсолютного нуля. Его интенсивность определяется температурой тела. Инфракрасное излучение зрительно не воспринимается, но создает ощущение тепла и потому называется тепловым. Оно обеспечивает так называемый лучистый теплообмен между телами. Инфракрасное излучение стало широко использоваться в приборах автоматики и дистанционного управления, в приборах ночного наблюдения и в системах спутникового слежения. На инфракрасных изображениях можно увидеть детали, неразличимые в видимых лучах непосредственно глазом. Это используется в космической и аэросъемке, медицине, криминалистике и т. д.

Диапазон ультрафиолетового излучения. Ультрафиолетовые лучи (УФ) обладают способностью вызывать свечение (люминесценцию) ряда веществ. Подобные вещества широко используют для нанесения меток и скрытой информации на документы и денежные знаки, а УФ-лучи применяют для выявления этой информации. УФ-лучи, особенно наиболее коротковолновые из них, разрушающе воздействуют на биологические клетки. Этим обусловлены опасения, вызванные обнаружением так называемых озоновых дыр.

Рентгеновское и гамма-излучения. И то и другое обладает губительным воздействием на биологические объекты. Поэтому при работе с этими излучениями предусматривают особые меры безопасности. Источниками рентгеновского излучения являются специальные устройства — рентгеновские трубки. Источниками гамма-лучей являются радиоактивные элементы и ускорители элементарных частиц. Эти виды электромагнитных волн излучаются звездами, галактиками, широко распространены в космическом пространстве и используются в современной астрофизике и астрономии для получения новой информации об этих объектах наряду с электромагнитными волнами других диапазонов. Рентгеновское и гамма-излучения находят все возрастающее приборное и технологическое применение в медицине, дефектоскопии, полупроводниковой промышленности и микроэлектронике, а также в научных исследованиях.

Волновые явления

Важнейшие явления, происходящие с участием волн:

1. Дифракция — это явление огибания волнами препятствий. Эффект становится заметным, когда размер препятствия меньше длины волны или сравним с ней. Если же размер препятствия намного превышает длину волны, то дифракция проявляется слабо. Дифракция широко используется в прикладной оптике. В микроскопии дифракция является фактором, устанавливающим принципиальный предел увеличения. Например, размер объекта, который можно наблюдать в оптическом микроскопе, ограничен средней длиной световой волны (около 0,5 мкм).

2. Интерференция — явление взаимного усиления или ослабления когерентных волн при их наложении. Когерентными называют волны с одинаковой длиной волны и неизменной разностью фаз в точке их наложения.

Н

Интерференция в тонких пленках позволяет уменьшить потери световой энергии в современных оптических системах, содержащих много элементов типа линз и призм. Поверхности этих оптических деталей покрывают тонкой пленкой, толщину и состав которой рассчитывают так, чтобы за счет интерференции происходило максимальное гашение отраженных лучей. Это увеличивает долю световой энергии, пропускаемой оптическими элементами. Достигаемый эффект называют «просветлением оптики».

аглядным примером этого эффекта может служить интерференция световых волн в тонких пленках — возникновение радужной окраски в тонких пленках масел, бензина и т. д., образующихся на поверхности воды. Примером новейшего использования интерференции и дифракции является голография — метод записи и воспроизведения объемных изображений, основанный на фотографировании интерференционной картины, получаемой при освещении объекта и фотопластины когерентными лучами. Дифракция на голограмме световых волн, идентичных применявшимся для ее создания, позволяет восстановить такое же волновое поле, какое создавал реальный объект. Это и обеспечивает объемный характер изображения.

3. Эффект Доплера заключается в изменении длины волны излучения, воспринимаемого приемником от источника при их движении друг относительно друга. При удалении приемника от излучателя воспринимаемая им длина волны увеличивается, а при сближении — уменьшается по сравнению со случаем их взаимной неподвижности. Эффект лежит в основе измерения скорости движения различных объектов и широко используется в авиации, в космической технике, в астрофизике. Обнаружение доплеровского «красного смещения» в спектрах излучения далеких галактик привело к выводу о расширении Вселенной.