18. Детерминизм и индетерминизм. Динамические и статистические закономерности в природе.

Детерминизм – это философское учение об объективной закономерной взаимосвязи и взаимообусловленности явлений материального и духовного мира. Центральным ядром детерминизма служит положение о существовании причинности, т.е. такой связи явлений, в которой одно явление при вполне определенных условиях с необходимостью порождает, производит другое явление. Индетерминизм - это философское учение и методологическое познание, которое отрицает познавательную ценность причинного объяснения в науке. В истории философии, начиная с др. греческой философии вплоть до настоящего времени индетерминизм, и детерминизм выступают как противостоящие концепции по проблемам обусловленности воли человека, его выбора, проблеме ответственности человека за совершенные им поступки. Индетерминизм трактует волю как автономную силу, утверждает, что принципы причинности не применялись к объяснению человеческого выбора и поведения обвиняет сторонников детерминизма в фотолизме. Марксизм исходит из того, что детерминизм не только не предполагает фотолизам, а напротив, именно дает почву доразумного действия. Детерминизму противостоит индетерминизм, отказывающиеся от признания причинности вообще или, по крайней мере, её всеобщности. Другой формой отрицания детерминизма является идеалистическая телеология, провозглашающая, будто течение всех процессов предопределяется действием нематериального «целенаправленного начала». Стимулом для оживления индетерминистических воззрений в 1-й четверти 20 века послужил факт возрастания в физике роли статистических закономерностей, наличие которых было объявлено опровергающим причинность. Однако диалектико-материалистическая трактовка соотношения случайности и необходимости, категорий причинности и закона, развитие квантовой механики, раскрывшей новые виды объективной причинной связи явлений в микромире, показали несостоятельность попыток использовать наличие вероятностных процессов в фундаменте микромира для отрицания детерминизма. Проблема индетерминизма и детерминизма стала особенно актуальной в связи с развитием современной квантовой физики. Было установлено, что принципы классического детерминизма не пригодны для характеристики процессов микромира. В связи с этим предпринимались попытки истолкования основных законов квантовой теории в духе индетерминизма и агностицизма. При этом одна из исторических форм детерминизма, а именно механический детерминизм, отождествлялась с детерминизмом вообще. Трудности в осмыслении проблем причинности в современной физике имели своим следствием усиление тенденций к индетерминизму в современной буржуазной философии. Динамические и статистические закономерности в природе.

Рассмотрим два типа физических явлений: механическое движение тел и тепловые процессы. В первом случае движение тел подчиняется законам Ньютона, законам классической механики. Законы классической механики называются динамическими законами, тем самым подчеркивается, что движение происходит под действием тех или иных сил. Динамические законы имеют строго однозначный характер всех связей и зависимостей. Зная начальное состояние механической системы, можно однозначно определить ее последующие состояния. Динамические закономерности не допускают какой-либо неопределенности системы. Они действуют во всех автономных, мало зависимых от внешней среды системах с относительно малым количеством входящих в нее элементов (например, характер движения планет Солнечной системы). Во второй половине XIX в. наряду с динамическими в ряде разделов физики получили широкое развитие статистические методы исследования. Классическим примером является статистическое рассмотрение тепловых термодинамических процессов. В данном случае рассматриваемая система, в отличие от динамической, включает огромное число отдельных элементов (например, полное число молекул газовой системы). И здесь рассматривается не движение каждой отдельно взятой молекулы, а лишь вероятностные ее характеристики. Затем, используя теорию вероятностей, теорию случайных событий, можно определить усредненные характеристики всей системы и установить статистические закономерности поведения всей системы. Примером тому может служить установление статистической закономерности между температурой газа и кинетической энергией совокупности молекул системы в молекулярно-кинетической теории газа. Статистические закономерности действуют во всех неавтономных, сильно зависящих от внешней среды системах, с большим количеством элементов. При статистических закономерностях данное состояние системы определяет все ее последующие состояния не однозначно, а лишь с определенной вероятностью. В классической термодинамике в основном рассматриваются изолированные системы, которые не обмениваются с внешней средой энергией. Именно для таких систем установлен закон возрастания энтропии. Этот закон имеет простое статистическое толкование. Действительно, энтропия изолированной, т.е. предоставленной самой себе, системы не может убывать. С другой стороны, очевидно, что предоставленная самой себе система будет переходить из менее вероятного состояние в более вероятное. Таким образом, энтропия и вероятность состояний изолированной системы ведут себя аналогично: они могут либо возрастать, либо оставаться неизменными. В последние годы широкое развитие получили исследования в области термодинамики неизолированных, так называемых открытых систем, т.е. систем, которые обмениваются энергией и веществом с внешним миром. Открытыми являются биологические системы, в частности клетка живых организмов. Для таких систем энтропия может как возрастать, так и убывать. В изолированных системах естественные процессы идут в направлении от упорядоченных структур к неупорядоченным, т.е. от порядка к беспорядку, хаосу. И в этом смысле можно говорить о том, что энтропия есть мера хаоса. Для неизолированных, открытых, систем эволюция, например, живых организмов ведет от менее совершенных форм к более совершенным, от меньшего порядка в природе к большему, и в этих системах энтропия может не увеличиваться, а уменьшаться. 19. Законы термодинамики. Понятие энтропии. Принцип возрастания энтропии. Законы термодинамики, определенные эмпирически, выражают приблизительное и вероятное поведение систем, состоящих из большого числа частиц или, точнее, они выражают законы механики подобных систем так, как они представляются существам, не обладающим достаточной тонкостью восприятия для того, чтобы оценивать величины порядка тех, которые относятся к отдельным частицам, и не могущим повторять свои опыты настолько часто, чтобы получить какие бы то ни было результаты, кроме наиболее вероятных. 1 закон термодинамики является обобщающим законом сохранения и превращения энергии для термо-ой системы. Он формулируется сле-м образом: Изменение U внутренней неизолированной термодинамической системы равно разности между количеством теплоты Q,переданной системы, и работой A, совершенной системой над внешними телами. U=Q-A. 2ой Закон Термо-ки ,как и 1 установлен эмпирическим путем. Впервые его сформировал Клаузис: «Теплота сама собой переходит лишь от тела с большей темпе-ой к телу с меньшей t и не может самопроизвольно переходить в обратном направлении». Законы термодинамики широко применяют при определении свойств углеводородов: удельной теплоемкости газов и жидкостей; теплоты парообразования; энтальпии, энтропии. Энтропи́я (от др.-греч. ἐντροπία - поворот, превращение) — в естественных науках мера беспорядка системы, состоящей из многих элементов. В частности, в статистической физике — мера вероятности осуществления какого-либо макроскопического состояния; в теории информации — мера неопределённости какого-либо опыта (испытания), который может иметь разные исходы, а значит, и количество информации; в исторической науке, для экспликации феномена альтернативности истории (инвариантности и вариативности исторического процесса).Энтропия в информатике — степень неполноты, неопределённости знаний. Понятие энтропии впервые было введено Клаузиусом в термодинамике в 1865 году для определения меры необратимого рассеивания энергии, меры отклонения реального процесса от идеального. Определённая как сумма приведённых теплот, она является функцией состояния и остаётся постоянной при обратимых процессах, тогда как в необратимых — её изменение всегда положительно.Энтропия-это мера неупорядоченности, изолировано термо.динамич.системоы. S-изменение энтропии. Она зависит от рассеянности энтрапии в системе. Негэнтрапия-мера упорядоченности системы. Всякие естественные процессы сопровождаются возрастанием энтропии Вселенной; такое утверждение часто называют принципом энтропии. Также энтропия характеризует условия, при которых запасается энергия: если энергия запасается при высокой температуре, ее энтропия относительно низка, а качество, напротив, высоко. С другой стороны, если то же количество энергии запасается при низкой температуре, то энтропия, связанная с этой энергией, велика, а ее качество - низко.  Возрастание энтропии является характерным признаком естественных процессов и соответствует запасанию энергии при более низких температурах. Аналогично можно  сказать, что естественное направление процессов изменения характеризуется понижением качества энергии. Такое истолкование связи энергии и энтропии, при котором энтропия характеризует условия запасания и хранения энергии, имеет большое практическое значение. Первое начало термодинамики утверждает, что энергия изолированной системы (а возможно, и всей Вселенной) остается постоянной. Поэтому, сжигая ископаемое топливо - уголь, нефть, уран - мы не уменьшаем общих запасов энергии. В этом смысле энергетический кризис вообще невозможен, так как энергия в мире всегда будет оставаться неизменной. Однако, сжигая горсть угля и каплю нефти, мы увеличиваем энтропию мира, поскольку все названные процессы протекают самопроизвольно. Любое действие приводит к понижению качества энергии Вселенной. Поскольку в промышленно развитом обществе процесс использования ресурсов стремительно ускоряется, то энтропия Вселенной неуклонно возрастает. Нужно стремиться направить развитие цивилизации по пути снижения уровня производства энтропии и сохранения качества энергии. Принцип возрастания энтропии сводится к утверждению, что энтропия изолированных систем неизменно возрастает при всяком изменении их состояния и остается постоянной лишь при обратимом течении процессов:  Оба вывода о существовании и возрастании энтропии получаются на основе какого-либо постулата, отражающего необратимость реальных процессов в природе. Наиболее часто в доказательстве объединенного принципа существования и возрастания энтропии используют постулаты Р. Клаузиуса, В. Томпсона-Кельвина, М. Планка.  В действительности принципы существования и возрастания энтропии ничего общего не имеют. Физическое содержание: принцип существования энтропии характеризует термодинамические свойства систем, а принцип возрастания энтропии - наиболее вероятное течение реальных процессов. Математическое выражение принципа существования энтропии - равенство, а принципа возрастания - неравенство. Области применения: принцип существования энтропии и вытекающие из него следствия используют для изучения физических свойств веществ, а принцип возрастания энтропии - для суждения о наиболее вероятном течении физических явлений. Философское значение этих принципов также различно. В связи с этим принципы существования и возрастания энтропии рассматриваются раздельно и математические выражения их для любых тел получаются на базе различных постулатов.  Вывод о существовании абсолютной температуры T и энтропии s как термодинамических функций состояния любых тел и систем составляет основное содержание второго закона термодинамики и распространяется на любые процессы - обратимые и необратимые. 

20. Современная научная картина мира, её основные черты. Современная научная картина мира – это всего лишь одна из возможных, которые могут присутствовать в человеческом сознании и определять его. Сосуществуя со всеми другими картинами – теологической, мифологической, философской, она в чем-то схожа с ними, содержит в себе общее, свойственное другим картинам, но и включает ряд принципиальных особенностей своего проявления и воздействия на сознание и мировоззрение человека. В основе современной научной парадигмы мира лежит естественно научная картина мира, содержащая в себе основные представления людей о пространстве, времени, природе, человеке и его месте в этом всем. Собственно все эти проблемы присутствуют и в других картинах мира, поэтому самым важным представляется наша способность выделить эту самую «научность», чтобы правильно идентифицировать свои познавательные мотивы и интересы. В последней четверти XX века в науке начала формироваться новая кар­тина мира — эволюционно-синергетическая.Ее фундамент составляют ставшие общенаучными принципы развития и системности. Теоретический каркас этой картины мира определяют теории самоорганизации (синергетика) и систем (системология), а также информационный подход, в рамках которого информация понимается как атрибут материи наряду с движением, простран­ством и временем. Пока еще рано судить о всем содержании эволюционно-синергетической картины мира, но некоторые ее сущностные черты можно указать

·         развитие рассматривается как универсальный (осуществляющийся везде и всегда) и глобальный (охватывающий все и вся) процесс; (концепция универсального эволюционизма).

·         само развитие трактуется как самодетерминированный нелинейный процесс само­организации нестационарных открытых систем.

Эти черты эволюционно-синергетической картины мира позволяют по-новому решать проблему единства мира, понять взаимосвязи между различ­ными уровнями организации материального мира (мега-, макро- и микроми­рами), живой и неживой материей, увидеть в новом ракурсе место и роль ра­зума во Вселенной. Начинается новый этап развития самой науки — постнеклассический.

Современная научная картина мира состоит из трех относительно самостоятельных блоков - естественнонаучного, техни­ческого и социально-гуманитарного, единство которых обеспечивают фун­даментальные философские принципы и категории. Они позволяют видеть мир как единое целое, отдельные фрагменты которого изучаются конкрет­ными науками.

Фундаментальные основы новой картины мира:

1.      общая и специальная теория относительности (новая теория пространства и времени привела к тому, что все системы отсчета стали равноправными, поэтому все наши представления имеют смысл только в определенной системе отсчета. Картина мира приобрела релятивный, относительный характер, видоизменились ключевые представления о пространстве, времени, причинности, непрерывности, отвергнуто однозначное противопоставление субъекта и объекта, восприятие оказалось зависимым от системы отсчета, в которую входят и субъект и объект, способа наблюдения и т.д.)

2.      квантовая механика (она выявила вероятностный характер законов микромира и неустранимый корпускулярно-волновой дуализм в самых основах материи). Стало ясно, что абсолютно полную и достоверную научную картину мира не удастся создать никогда, любая из них обладает лишь относительной истинностью.

Позднее в рамках новой картины мира произошли революции в частных науках в в космологии (концепция не стационарной Вселенной), в биологии (развитие генетики), и т.д. Таким образом, на протяжении XX века естествознание очень сильно изменило свой облик, во всех своих разделах.

Как видно из этих этапов, научная картина мира уточняется и развивается на протяжении многих веков - проникновение в сущность явлений природы - бесконечный, неограниченный процесс, поскольку материя неисчерпаема. С развитием науки представления людей о природе становятся все более глубокими и адекватными, все более отражающими истинное, реальное состояние окружающего мира.

21. Понятия пространства и времени. Концепции пространства и времени. Пространство, филос., необходимая форма, в которой располагаются все наши ощущения; оно всегда связано с ощущениями и не отделимо от них не только в восприятии, но и в представлениях. Следовательно, П.- неизбежная форма сознания, возникающая одновременно с ним, почему и невозможны ни эмпирическое объяснение его происхождения, ни определение его сущности. Исследованию подлежат лишь наши представления о П., их психологический состав и возникновение.

Время, основная (наряду с пространством) форма существования материи, заключающаяся в закономерной координации сменяющих друг друга явлений. Оно существует объективно и неразрывно связано с движущейся материей. См. Относительности теория.

ПРОСТРАНСТВО И ВРЕМЯ, философские категории. Пространство — форма существования материальных объектов и процессов (характеризует структурность и протяженность материальных систем); время — форма последовательной смены состояний объектов и процессов (характеризует длительность их бытия). Пространство и время имеют объективный характер, неразрывно связаны друг с другом, бесконечны. Универсальные свойства времени — длительность, неповторяемость, необратимость; всеобщие свойства пространства — протяженность, единство прерывности и непрерывности. Основные концепции пространства и времени. Важнейшие философские проблемы, относящиеся к П. и в., — это вопросы о сущности П. и в., об отношении этих форм бытия к материи, об объективности пространственно-временных отношений и закономерностей.

На протяжении почти всей истории естествознания и философии существовали 2 основные концепции П. и в. Одна из них идёт от древних атомистов — Демокрита, Эпикура, Лукреция, которые ввели понятие пустого пространства и рассматривали его как однородное (одинаковое во всех точках) и бесконечное (Эпикур полагал, что оно не изотропно, т. е. неодинаково по всем направлениям); понятие времени тогда было разработано крайне слабо и рассматривалось как субъективное ощущение действительности. В новое время в связи с разработкой основ динамики эту концепцию развил И. Ньютон, который очистил её отантропоморфизма. По Ньютону, П. и в. суть особые начала, существующие независимо от материи и друг от друга. Пространство само по себе (абсолютное пространство) есть пустое «вместилище тел», абсолютно неподвижное, непрерывное, однородное и изотропное, проницаемое — не воздействующее на материю и не подвергающееся её воздействиям, бесконечное; оно обладает 3 измерениями. От абсолютного пространства Ньютон отличал протяжённость тел — их основное свойство, благодаря которому они занимают определённые места в абсолютном пространстве, совпадают с этими местами. Протяжённость, по Ньютону, если говорить о простейших частицах (атомах), есть начальное, первичное свойство, не требующее объяснения. Абсолютное пространство вследствие неразличимости своих частей неизмеримо и непознаваемо. Положения тел и расстояния между ними можно определять только по отношению к др. телам. Др. словами, наука и практика имеют дело только с относительным пространством. Время в концепции Ньютона само по себе есть нечто абсолютное и ни от чего не зависящее, чистая длительность, как таковая, равномерно текущая от прошлого к будущему. Оно является пустым «вместилищем событий», которые могут его заполнять, но могут и не заполнять; ход событий не влияет на течение времени. Время универсально, одномерно, непрерывно, бесконечно, однородно (везде одинаково). От абсолютного времени, также неизмеримого, Ньютон отличал относительное время. Измерение времени осуществляется с помощью часов, т. е. движений, которые являются периодическими. П. и в. в концепции Ньютона независимы друг от друга. Независимость П. и в. проявляется прежде всего в том, что расстояние между 2 данными точками пространства и промежуток времени между 2 событиями сохраняют свои значения независимо друг от друга в любой системе отсчёта, а отношения этих величин (скорости тел) могут быть любыми.

Концепция П. и в., разработанная Ньютоном, была господствующей в естествознании на протяжении 17—19 вв., т.к. она соответствовала науке того времени — евклидовой геометрии, классической механике и классической теории тяготения. Законы ньютоновой механики справедливы только в инерциальных системах отсчёта. Эта выделенность инерциальных систем объяснялась тем, что они движутся поступательно, равномерно и прямолинейно именно по отношению к абсолютному П. и в. и наилучшим образом соответствуют последним. Согласно ньютоновой теории тяготения, действия от одних частиц вещества к Другим передаются мгновенно через разделяющее их пустое пространство. Ньютонова концепция П. и в., т. о., соответствовала всей физической картине мира той эпохи, в частности представлению о материи как изначально протяжённой и по природе своей неизменной. Существенным противоречием концепции Ньютона было то, что абсолютное П. и в. оставались в ней непознаваемыми путём опыта. Согласно принципу относительности классической механики, все инерциальные системы отсчёта равноправны и невозможно отличить, движется ли система по отношению к абсолютному П. и в. или покоится. Это противоречие служило доводом для сторонников противоположной концепции П. и в., исходные положения которой восходят ещё к Аристотелю; это представление о П. и в. было разработано Г. Лейбницем, опиравшимся также на некоторые идеи Декарта. Особенность лейбницевой концепции П. и в. состоит в том, что в ней отвергается представление о П. и в. как о самостоятельных началах бытия, существующих наряду с материей и независимо от неё. По Лейбницу, пространство — это порядок взаимного расположения множества тел, существующих вне друг друга, время — порядок сменяющих друг друга явлений или состояний тел. При этом Лейбниц в дальнейшем включал в понятие порядка также и понятие относительной величины. Представление о протяжённости отдельного тела, рассматриваемого безотносительно к другим, по концепции Лейбница, не имеет смысла. Пространство есть отношение («порядок»), применимое лишь ко многим телам, к «ряду» тел. Можно говорить только об относительном размере данного тела в сравнении с размерами других тел. То же можно сказать и о длительности: понятие длительности применимо к отдельному явлению постольку, поскольку оно рассматривается как звено в единой цепи событий. Протяжённость любого объекта, по Лейбницу, не есть первичное свойство, а обусловлено силами, действующими внутри объекта; внутренние и внешние взаимодействия определяют и длительность состояния; что же касается самой природы времени как порядка сменяющихся явлений, то оно отражает их причинно-следственную связь. Логически концепция Лейбница связана со всей его философской системой в целом.

22. Специальная теория относительности. Говорят, что прозрение пришло к Альберту Эйнштейну в одно мгновение. Ученый якобы ехал на трамвае по Берну (Швейцария), взглянул на уличные часы и внезапно осознал, что если бы трамвай сейчас разогнался до скорости света, то в его восприятии эти часы остановились бы — и времени бы вокруг не стало. Это и привело его к формулировке одного из центральных постулатов относительности — что различные наблюдатели по-разному воспринимают действительность, включая столь фундаментальные величины, как расстояние и время. Большинство парадоксальных и противоречащих интуитивным представлениям о мире эффектов, возникающих при движении со скоростью, близкой к скорости света, предсказывается именно специальной теорией относительности. Самый известный из них — эффект замедления хода часов, или эффект замедления времени. Часы, движущиеся относительно наблюдателя, идут для него медленнее, чем точно такие же часы у него в руках. Время в системе координат, движущейся со скоростями, близкими к скорости света, относительно наблюдателя растягивается, а пространственная протяженность (длина) объектов вдоль оси направления движения — напротив, сжимается. Этот эффект, известный как сокращение Лоренца—Фицджеральда, был описан в 1889 году ирландским физиком Джорджем Фицджеральдом (George Fitzgerald, 1851–1901) и дополнен в 1892 году нидерландцем Хендриком Лоренцем (Hendrick Lorentz, 1853–1928). Сокращение Лоренца—Фицджеральда объясняет, почему опыт Майкельсона—Морли по определению скорости движения Земли в космическом пространстве посредством замеров «эфирного ветра» дал отрицательный результат. Позже Эйнштейн включил эти уравнения в специальную теорию относительности и дополнил их аналогичной формулой преобразования для массы, согласно которой масса тела также увеличивается по мере приближения скорости тела к скорости света. Так, при скорости 260 000 км/с (87% от скорости света) масса объекта с точки зрения наблюдателя, находящегося в покоящейся системе отсчета, удвоится.Со времени Эйнштейна все эти предсказания, сколь бы противоречащими здравому смыслу они ни казались, находят полное и прямое экспериментальное подтверждение. В одном из самых показательных опытов ученые Мичиганского университета поместили сверхточные атомные часы на борт авиалайнера, совершавшего регулярные трансатлантические рейсы, и после каждого его возвращения в аэропорт приписки сверяли их показания с контрольными часами. Выяснилось, что часы на самолете постепенно отставали от контрольных все больше и больше (если так можно выразиться, когда речь идет о долях секунды). Последние полвека ученые исследуют элементарные частицы на огромных аппаратных комплексах, которые называются ускорителями. В них пучки заряженных субатомных частиц (таких как протоны и электроны) разгоняются до скоростей, близких к скорости света, затем ими обстреливаются различные ядерные мишени. В таких опытах на ускорителях приходится учитывать увеличение массы разгоняемых частиц — иначе результаты эксперимента попросту не будут поддаваться разумной интерпретации. И в этом смысле специальная теория относительности давно перешла из разряда гипотетических теорий в область инструментов прикладной инженерии, где используется наравне с законами механики Ньютона. Возвращаясь к законам Ньютона, я хотел бы особо отметить, что специальная теория относительности, хотя она внешне и противоречит законам классической ньютоновской механики, на самом деле практически в точности воспроизводит все обычные уравнения законов Ньютона, если ее применить для описания тел, движущихся со скоростью значительно меньше, чем скорость света. То есть, специальная теория относительности не отменяет ньютоновской физики, а расширяет и дополняет ее (подробнее эта мысль рассматривается во Введении). Принцип относительности помогает также понять, почему именно скорость света, а не какая-нибудь другая, играет столь важную роль в этой модели строения мира — этот вопрос задают многие из тех, кто впервые столкнулся с теорией относительности. Скорость света выделяется и играет особую роль универсальной константы, потому что она определена естественнонаучным законом (см. Уравнения Максвелла). В силу принципа относительности скорость света в вакууме c одинакова в любой системе отсчета. Это, казалось бы, противоречит здравому смыслу, поскольку получается, что свет от движущегося источника (с какой бы скоростью он ни двигался) и от неподвижного доходит до наблюдателя одновременно. Однако это так. Благодаря своей особой роли в законах природы скорость света занимает центральное место и в общей теории относительности.

23. Общая теория относительности. Общая теория относительности применяется уже ко всем системам отсчета (а не только к движущимися с постоянной скоростью друг относительно друга) и выглядит математически гораздо сложнее, чем специальная (чем и объясняется разрыв в одиннадцать лет между их публикацией). Она включает в себя как частный случай специальную теорию относительности (и, следовательно, законы Ньютона). При этом общая теория относительности идёт значительно дальше всех своих предшественниц. В частности, она дает новую интерпретацию гравитации. Общая теория относительности делает мир четырехмерным: к трем пространственным измерениям добавляется время. Все четыре измерения неразрывны, поэтому речь идет уже не о пространственном расстоянии между двумя объектами, как это имеет место в трехмерном мире, а о пространственно-временных интервалах между событиями, которые объединяют их удаленность друг от друга — как по времени, так и в пространстве. То есть пространство и время рассматриваются как четырехмерный пространственно-временной континуум или, попросту, пространство-время. В этом континууме наблюдатели, движущиеся друг относительно друга, могут расходиться даже во мнении о том, произошли ли два события одновременно — или одно предшествовало другому. К счастью для нашего бедного разума, до нарушения причинно-следственных связей дело не доходит — то есть существования систем координат, в которых два события происходят не одновременно и в разной последовательности, даже общая теория относительности не допускает. Закон всемирного тяготения Ньютона говорит нам, что между любыми двумя телами во Вселенной существует сила взаимного притяжения. С этой точки зрения Земля вращается вокруг Солнца, поскольку между ними действуют силы взаимного притяжения. Общая теория относительности, однако, заставляет нас взглянуть на это явление иначе. Согласно этой теории, гравитация — это следствие деформации («искривления») упругой ткани пространства-времени под воздействием массы (при этом чем тяжелее тело, например Солнце, тем сильнее пространство-время «прогибается» под ним и тем, соответственно, сильнее его гравитационное поле). Представьте себе туго натянутое полотно (своего рода батут), на которое помещен массивный шар. Полотно деформируется под тяжестью шара, и вокруг него образуется впадина в форме воронки. Согласно общей теории относительности, Земля обращается вокруг Солнца подобно маленькому шарику, пущенному кататься вокруг конуса воронки, образованной в результате «продавливания» пространства-времени тяжелым шаром — Солнцем. А то, что нам кажется силой тяжести, на самом деле является, по сути чисто внешнем проявлением искривления пространства-времени, а вовсе не силой в ньютоновском понимании. На сегодняшний день лучшего объяснения природы гравитации, чем дает нам общая теория относительности, не найдено.

Проверить общую теорию относительности трудно, поскольку в обычных лабораторных условиях ее результаты практически полностью совпадают с тем, что предсказывает закон всемирного тяготения Ньютона. Тем не менее несколько важных экспериментов были произведены, и их результаты позволяют считать теорию подтвержденной. Кроме того, общая теория относительности помогает объяснить явления, которые мы наблюдаем в космосе, — например, незначительные отклонения Меркурия от стационарной орбиты, необъяснимые с точки зрения классической механики Ньютона, или искривление электромагнитного излучения далеких звезд при его прохождении в непосредственной близости от Солнца.

На самом деле результаты, которые предсказывает общая теория относительности, заметно отличаются от результатов, предсказанных законами Ньютона, только при наличии сверхсильных гравитационных полей. Это значит, что для полноценной проверки общей теории относительности нужны либо сверхточные измерения очень массивных объектов, либо черные дыры, к которым никакие наши привычные интуитивные представления неприменимы. Так что разработка новых экспериментальных методов проверки теории относительности остается одной из важнейших задач экспериментальной физики. 24. Структурные уровни и системная организация материи.

Важнейшее свойство материи – ее структурная и системная организация, которая выражает упорядоченность существования материи в виде огромного разнообразия материальных объектов различных масштабов и уровней, связанных между собой единой системой иерархии. Непосредственно наблюдаемые нами тела состоят из молекул, молекулы – из атомов, атомы – из ядер и электронов, атомные ядра – из нуклонов, нуклоны – из кварков. Сегодня принято считать, что электроны и гипотетические частицы кварки не содержат более мелких частиц. С биологической точки зрения самая крупная живая система – биосфера – состоит из биоценозов, содержащих множество популяций живых организмов различных видов, а популяции образуют отдельные особи, живой организм которых состоит из клеток со сложной структурой, включающих ядро, мембрану и другие составные части. 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, звезд, галактик и Вселенной.

Материальные системы микро-, макро– и мегами-ра различаются между собой размерами, характером доминирующих процессов и законами, которым они подчиняются. Отношение самого большого размера к самому малому, 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.

Материальные объекты микро-, макро– и мегамира отличаются друг от друга не только своими размерами, но и другими количественными характеристиками. Так, один моль любого вещества содержит огромное число молекул или атомов, называемое постоянной Авогадро и примерно равное 6 х 1023моль-1.

Свойства и особенности материальных объектов микро-, макро– и мегамира описываются разными теориями, принципами и законами. При объяснении процессов в микромире используются принципы и теории квантовой механики, квантовой статистики и т. п. Изучение материальных объектов макросистем основано на законах и теориях классической механики Ньютона, термодинамики и статической физики, классической электродинамики Максвелла. Вместе с тем многие понятия и концепции (энергия, импульс и др.), введенные в классической физике для описания свойств материальных объектов макромира, с успехом используются для объяснения процессов в микро-и мегамире. Движение планет Солнечной системы описывается законом всемирного тяготения и законами Кеплера. Происхождение и эволюция Вселенной объясняются на основании комплекса естественнонаучных знаний, включающих физику элементарных частиц, квантовую теорию поля и т. п.

Материальные объекты образуют целостную систему лишь в том случае, если энергия связи между ними больше кинетической энергии каждого из них. Энергия связи – это та энергия, которую необходимо затратить, чтобы полностью «растащить» систему на отдельные ее составляющие.

25. Элементарные частицы, их свойства и классификации.

Элементарные частицы, в узком смысле - частицы, которые нельзя считать состоящими из других частиц. В современной физике термин "элементарные частицы" используют в более широком смысле: так называют мельчайшие частицы материи, подчиненные условию, что они не являются атомными ядрами и атомами (исключение составляет протон); иногда по этой причине элементарные частицы называют субъядерными частицами. Большая часть таких частиц (а их известно более 350) являются составными системами.

Элементарные частицы участвуют в электромагнитном, слабом, сильном и гравитационном взаимодействиях. Из-за малых масс элементарных частиц их гравитационное взаимодействие обычно не учитывается. Все элементарные частицы разделяют на три основные группы. Первую составляют так называемые бозоны - переносчики электрослабого взаимодействия. Сюда относится фотон, или квант электромагнитного излучения. Масса покоя фотона равна нулю, поэтому скорость распространения электромагнитных волн в вакууме (в т. ч. световых волн) представляет собой предельную скорость распространения физического воздействия и является одной из фундаментальных физических постоянных; принято, что с = (299792458±1,2) м/с. Вторая группа элементарных частиц - лептоны, участвующие в электромагнитных и слабых взаимодействиях. Известно 6 лептонов: электрон, электронное нейтрино, мюон, мюонное нейтрино, тяжелый τ-лептон и соответствующее нейтрино. Все лептоны имеют спин ½ћ (ћ - постоянная Планка), т.е. по статистическим свойствам являются фермионами. Каждому из лептонов соответствует античастица, имеющая те же значения массы, спина и других характеристик, но отличающаяся знаком электрического заряда. Существуют позитрон (символ e⁺) - античастица по отношению кэлектрону, положительно заряженный мюон (символ μ⁺) и три типа антинейтрино, которым приписывают противоположный знак особого квантового числа, называемого лептонным зарядом . Третья группа элементарных частиц - адроны, они участвуют в сильном, слабом и электромагнитном взаимодействиях. Адроны представляют собой "тяжелые" частицы с массой, значительно превышающей массу электрона. Это наиболее многочисленная группа элементарных частиц. Адроны делятся на барионы - частицы со спином ½ћ, мезоны - частицы с целочисленным спином (0 или 1); а также так называемые резонансы - короткоживущие возбужденные состояния адронов. К барионам относят протон  и положительным электрическим зарядом, равным заряду нейтрон(символ n) - электрически нейтральная частица, масса которой немного превышает массу протона. Из протонов и нейтронов построены все атомные ядра, именно сильное взаимодействие обусловливает связь этих частиц между собой. Существуют мезоны нейтральные и заряженные (с положительным и отрицательным элементарным электрическим зарядом). Все мезоны по своим статистическим свойствам относятся к бозонам. Каждая элементарная частица описывается набором дискретных значений физических величин (квантовых чисел). Общие характеристики всех элементарных частиц - масса, время жизни, спин, электрический заряд. В зависимости от времени жизни элементарные частицы делятся на стабильные, квазистабильные и нестабильные (резонансы). Стабильными (в пределах точности современных измерений) являются: электрон (время жизни более 5×10²¹ лет), протон (более 10³¹ лет), фотон и нейтрино. К квазистабильным относятся частицы, распадающиеся вследствие электромагнитного и слабого взаимодействий, их времена жизни более 10^-20 с. Резонансы распадаются за счет сильного взаимодействия, их характерные времена жизни 10^-22 – 10^-24 с.

Внутренними характеристиками (квантовыми числами) элементарных частиц являются лептонный (символ L) и барионный (символ В)заряды; эти числа считаются строго сохраняющимися величинами для всех типов фундаментальных взаимодействий. Для лептонных нейтрино и их античастиц L имеют противоположные знаки; для барионов В = 1, для соответствующих античастиц В=-1.

Для адронов характерно наличие особых квантовых чисел: "странности", "очарования", "красоты". Обычные (нестранные) адроны - протон, нейтрон, π-мезоны. Внутри разных групп адронов имеются семейства частиц, близких по массе и со сходными свойствами по отношению к сильному взаимодействию, но с различными значениями электрического заряда; простейший пример – протон и нейтрон. Общее квантовое число для таких элементарных частиц – так называемый изотопический спин, принимающий, как и обычный спин, целые и полуцелые значения. К особым характеристикам адронов относится и внутренняя четность, принимающая значения ±1. Важное свойство элементарных частиц – их способность к взаимопревращениям в результате электромагнитных или других взаимодействий. Один из видов взаимопревращений - так называемое рождение пары, или образование одновременно частицы и античастицы (в общем случае - образование пары элементарныех частиц с противоположными лептонными или барионными зарядами). Возможны процессы рождения электрон-позитронных пар e^-e⁺, мюонных пар μ⁺μ^- новых тяжелых частиц при столкновениях лептонов, образование из кварков cc- и bb-состояний (см. ниже). Другой вид взаимопревращений элементарных частиц - аннигиляция пары при столкновениях частиц с образованием конечного числа фотонов (γ-квантов). Обычно образуются 2 фотона при нулевом суммарном спине сталкивающихся частиц и 3 фотона - при суммарном спине, равном 1 (проявление закона сохранения зарядовой четности).

При определенных условиях, в частности при невысокой скорости сталкивающихся частиц, возможно образование связанной системы - позитрония e^-e⁺ и мюония μ⁺e^-. Эти нестабильные системы, часто называемые водородоподобными атомами. Их время жизни в веществе в большой степени зависит от свойств вещества, что позволяет использовать водородоподобные атомы для изучения структуры конденсированного вещества и кинетики быстрых химических реакций  26. Квантовая механика и ее базовые принципы. Ква́нтовая меха́ника — раздел теоретической физики, описывающий физические явления, в которых действие сравнимо по величине спостоянной Планка. Предсказания квантовой механики могут существенно отличаться от предсказаний классической механики. Поскольку постоянная Планка является чрезвычайно малой величиной по сравнению с действием повседневных объектов, квантовые эффекты в основном проявляются только в микроскопических масштабах. Если физическое действие системы намного больше постоянной Планка, квантовая механика органически переходит в классическую механику. В свою очередь, квантовая механика является нерелятивистским приближением (то есть приближением малых энергий по сравнению с энергией покоя массивных частиц системы) квантовой теории поля. Все началось с невозможности объяснения в рамках волновой теории света многих физических вопросов, в частности, вопросов теплового излучения тел ( ¹ ; ² ). Макс Планк (1858 - 1947) для решения проблемы излучения абсолютно черного тела в 1900 году ввел в теорию квант действия . Это в свою очередь вело к предположению о том, что при излучении энергия испускается порциями (квантами). ³ Затем в 1905 годуЭйнштейн объяснил явление фотоэффекта, показав, что свет представляет собой совокупность квантов (фотонов), которые ведут себя как частицы вещества ( ⁴ ; ⁵ ). Далее в 1924 году Луи де Бройль предсказал существование волновых свойств у электрона (в 1927 году эти свойства были обнаружены экспериментально). В итоге, в результате работ Планка, Эйнштейна, де Бройля (и многих других авторов) стало ясно, что электромагнитные волны обладают свойствами частиц (материи), а материя обладает свойствами волн.

Таким образом, первый принцип квантовой механики устанавливает двойственную природу микрообъектов (так называемый корпускулярно - волновой дуализм). Современное представление о корпускулярно - волновой природе микрообъектов таково. С одной стороны, в экспериментах микрообъекты обнаруживаются всегда в одном месте и никогда "размазанными" по пространству. Поэтому они - частицы. С другой стороны, жизнь микрообъекта (последовательный его переход из одного состояния в другое) описывается волной вероятности. Эта волна не имеет никакого отношения к обычным волнам, являющимся колебаниями некоторой среды. Волны в микромире - это волны вероятности обнаружить микрообъект в том или ином состоянии. Впрочем, дискуссии по поводу физической интерпретации дуализма микрообъектов ведутся до сих пор. ⁶

Второй принцип квантовой механики уточняет классические представления о понятии "состояние объекта". Это уточнение сводится к следующему. Значения некоторых физических параметров (из возможной области значений), определяющие состояние микрообъекта в данный момент времени, существуют лишь потенциально, лишь в возможности проявить себя в каком-нибудь взаимодействии с другими объектами.

Обсудим этот вопрос более подробно. Для этого сравним процедуры измерения физических параметров частиц в классическом и квантовомеханическом вариантах.

В классическом случае параметры частицы могут быть измерены в разных системах отсчета. При этом получают и разные значения проекций этих параметров на координатные оси системы отсчета. По известным правилам результаты измерений всегда можно пересчитать от одной системы отсчета к другой, в частности, к системе, в которой частица покоится. Результаты такого пересчета одинаковы для любых наблюдателей. Расчеты будущего движения частицы, сделанные одним из наблюдателей, верны для всех других и могут быть проверены ими экспериментально. Все это позволяет считать, что значения параметров классической частицы реальны, так как предсказуемы и не зависят от измерений, проводимых разными наблюдателями.

В квантовой механике прибор, с помощью которого производится измерение какого-нибудь параметра частицы, является в некотором смысле "аналогом" классической системы отсчета: ⁷ измерения с помощью разных приборов дают, вообще говоря, другие значения параметров микрочастицы. Однако природа подобного изменения значений параметров совсем иная, и никакие пересчеты не могут уже согласовать точки зрения разных наблюдателей. Вот конкретный пример, поясняющий суть дела.

27. Типы фундаментальных взаимодействий. Фундамента́льные взаимоде́йствия — качественно различающиеся типы взаимодействия элементарных частиц и составленных из них тел. На сегодня достоверно известно существование четырех фундаментальных взаимодействий: гравитационного, электромагнитного ,сильного, слабого. При этом электромагнитное и слабое взаимодействия являются проявлениями единого электрослабого взаимодействия. Ведутся поиски других типов фундаментальных взаимодействий, как в явлениях микромира, так и в космических масштабах, однако пока какого-либо другого типа фундаментального взаимодействия не обнаружено.

В физике механическая энергия делится на два вида — потенциальную и кинетическую энергию. Причиной изменения движения тел (изменения кинетической энергии) является сила (потенциальная энергия) (см.второй закон Ньютона). Исследуя окружающий нас мир, мы можем заметить множество самых разнообразных сил: сила тяжести, сила натяжения нити, сила сжатия пружины, сила столкновения тел, сила трения, сила сопротивления воздуха, сила взрыва и т. д. Однако когда была выяснена атомарная структура вещества, стало понятно, что все разнообразие этих сил есть результат взаимодействия атомов друг с другом. Поскольку основной вид межатомного взаимодействия — электромагнитное, то, как оказалось, большинство этих сил — лишь различные проявления электромагнитного взаимодействия. Одно из исключений составляет, например, сила тяжести, причиной которой является гравитационное взаимодействие между телами, обладающими массой.