2 Марта.
Развитие представлений о движении.
Гераклит сформулировал идею о безостановочной изменчивости вещей. Согласно Аристотелю, движение является атрибутом материи. Аристотель признавал разнообразие форм движения, в частности, выделял среди механических естественные, насильственные и вечные движения небесных тел. Эволюция, по мнению Аристотеля, – определенная форма движения живой материи, обусловленную ее стремлением к совершенству.
В механической картине мира признавалась единственная форма движения - механическое перемещение тел.
В электромагнитной картине мира кроме перемещения тела, зарядов рассматривалось перемещение поля как особый тип движения.
В современной картине мира движение – это изменение состояний, под состоянием понимают совокупность данных, позволяющих предсказать дальнейшее поведение системы. Рассматриваются химические, биологические формы движения. Считается, что формы движения многообразны и не совсем сводимы друг к другу. В современной картине мира считается, что эволюция является универсальной формой движения материи.
Развитие представлений о взаимодействии.
Аристотель считал, что существует одностороннее воздействие движущего на движимое. Аристотель придерживался концепции близкодействия: передача воздействия возможна только через посредников либо при непосредственном контакте.
В механической картине мира возникает концепция взаимодействия (третий закон Ньютона): сила действия равна силе противодействия. Открытие первого фундаментального взаимодействия (Закон всемирного тяготения). Переход к концепции дальнодействия: мгновенная передача взаимодействия через пустоты на любые расстояния без посредников.
В рамках электромагнитной картины мира было открыто второе фундаментальное взаимодействие – электромагнитное. Возврат концепции близкодействия, в качестве посредника, передающего взаимодействие, выступает электромагнитное поле. Взаимодействие передается с конечной скоростью – со скоростью света. Признается полевой механизм передачи взаимодействия: заряд создает поле, поле действует на другие заряды.
В современной картине мира выделяют 4 фундаментальных взаимодействия, к которым сводятся все силы природы: гравитационное (между телами, имеющими массу), электромагнитное (между зарядами), сильное (ядерное, масштаб атомных ядер), слабое (слабоядерное, между элементарными частицами). Признается квантово-полевой механизм передачи взаимодействия. Заряд испускает виртуальные частицы-переносчики, поглощаемые другим зарядом. Набор этих частиц-переносчиков составляет поле взаимодействия. Гравитоны – гравитационное поле. Фотоны – электромагнитное поле. Глюоны – ядерное взаимодействие. Бозоны векторные – слабоядерное взаимодействие.
Выделяют микромир (атомы, молекулы; слабое и электромагнитное взаимодействие), макромир (сопоставим с человеком; электромагнитное взаимодействие), мегамир (планеты, звезды, галактики, вселенные; гравитация).
9 Марта.
Пространство, время, симметрия.
Принцип симметрии. Законы сохранения.
В современном естествознании часто формулируются те или иные закономерности, используя представления о симметрии. Под симметрией понимают инвариантность или неизменность относительно каких-либо преобразований. Простейшими симметриями является однородность (одинаковость во всех точках) и изотропность (одинаковость по всем направлениям).
Пространство и время обладают следующими симметриями: пространство и время однородны, пространство изотропно, при этом время анизотропно (время течет в одном направлении).
Существует теорема Нётера, которая утверждает, что симметрии пространства и времени связаны с законами сохранения. Закон сохранения энергии это следствие однородности времени. Закон сохранения импульса (количества поступательного движения) – это следствие однородности пространства. Закон сохранения момента импульса (количества вращательного движения) – это следствие изотропности пространства.
Эволюция представлений о пространстве и времени.
Существует 2 точки зрения на сущность пространства и времени. Первая точка зрения: пространство и время – это нечто самостоятельное, инвариантное, существующее вне зависимости от материальных объектов. Пустота у древнегреческих атомистов, абсолютное пространство и время в механике Ньютона – пример такого представления. Вторая точка зрения: пространство и время – система отношений между материальными телами. У Аристотеля пространство – категория места, время – мера движения. В теории относительности Эйнштейна пространственные и временные промежутки меняются в зависимости от движения материальных тел.
Абсолютное пространство и время.
Понятие было сформулировано Ньютоном. Он рассматривал относительное пространство и время, связанное с той или иной системой отсчета. Чтобы ввести правило пересчета из одной системы в другую, он ввел понятие «абсолютное пространство и время». Следствием этого представления является классический закон сложения скоростей.
В 19 веке с развитием электродинамики возникло представлении о мировом светоносном эфире – упругой, всепроникающем, невесомой среде, по которой распространяются все электромагнитные взаимодействия, в частности электромагнитные волны. Абсолютное пространство и время стали ассоциировать с этим эфиром. Считалось, что поскольку Земля движется относительно эфира, должен существовать эфирный ветер.
Майкельсон и Морли в конце 19 века поставили ряд опытов. В 1964 году для объяснения отсутствия эфирного ветра Лоренс предположил, что объекты, движущиеся относительно эфира, сокращаются по длине, укорачиваются, и предложил «преобразования Лоренса», которые описывают этот процесс и дают закон сложения скоростей. Подвижная система координат Кʹ движется относительно неподвижной со скоростью v.
Преобразования Галилея:
x
= xʹ + vt
y = yʹ
z = zʹ
t = tʹ
x/t = xʹ/t + vt/t
v = vʹ + v
Преобразования Лоренса.
Для современной научной картины мира характерен отказ от абсолютных пространств и времени, мирового эфира и других выделенных систем отсчета, а также признание взаимосвязи пространства, времени и материи.
Специальная теория относительности.
Принцип относительности впервые был обоснован Галилеем. Этот принцип заложен в I закон относительности Ньютона.
1905 год – Эйнштейн предложил отказаться от выделенной системы отсчета и признать равноправие всех инерциальных систем отсчета. Он сформулировал специальную теорию относительности, которая базируется на двух постулатах:
- принцип относительности: законы природы инвариантны относительно смены систем отсчета;
- одинаковость скорости света во всех системах отсчета.
Заслуга Эйнштейна. Раньше считалось, что эти постулаты противоречат друг другу. Эйнштейн показал, что из этих двух постулатов можно вывести преобразования Лоренса.
16 марта.
Постулаты Эйнштейна являются проявлениями симметрий пространства и времени.
Основные релятивистские (относительные) эффекты.
Относительность одновременности. Абсолютно одновременными могут быть только события, происходящие в одной точке пространства.
Относительность расстояния (релятивистское сокращение длины).
Относительность промежутков времени (релятивистская).
Эффекты сокращения длины и замедления времени проявляются для элементарных частиц. Подтверждаются экспериментами.
Инвариантность пространственно-временного интервала между событиями. Данное свойство делает удобным использование геометрической интерпретации. Теория относительности в виде четырехмерного пространства. Поскольку расстояние вычисляется по теореме Пифагора, четырехмерное пространство называют «псевдоевклидовым».
Инвариантность причинно-следственных связей.
Единство пространства и времени.
Эквивалентность массы и энергии.
Среди элементарных частиц выделяются частицы с отличной от нуля массой покоя. Они никогда не могут разогнаться до скорости света. И частицы с нулевой массой, которые можно разогнать до скорости света.
Специальная теория относительности соответствует классической механике при малых скоростях движения.
Общая теория относительности.
СТО – специальная теория относительности. ОТО – общая теория относительности.
СТО рассматривает только инерциальную систему. Общая рассматривает неинерциальные системы отсчета и учитывает влияние гравитационного поля.
В инерциальной система отсчета тело, не взаимодействующее с другими, будет двигаться по прямой с постоянной скоростью, по инерции. Неинерциальная сама движется с ускорением. В ней возникают эффективные силы – силы инерции.
Принцип эквивалентности инерционной и неинерционной масс.
Ускоренное движение неотличимо от покоя в гравитационном поле. В ОТО гравитационное поле и неинерциальность описываются как искривления четырехмерного пространства времени.
В ОТО отказываются от силы гравитационного взаимодействия, как от взаимодействия тел. И говорят, что одно тело искривляет пространство и время, а второе по нему движется.
23 марта.
В кривом пространстве и времени тело, не взаимодействующее с другими, движется по геодезической линии. В плоском случае геодезическая линия превращается в прямую. Геодезическая – линия, кратчайшим способом соединяющая дочки.
Примеры: кусок окружности круга.
Эмпирическими доказательствами являются:
отклонения световых лучей вблизи солнца.
замедление времени в гравитационном поле.
смещение перигелиев планетарных орбит.
Порядок и беспорядок в природе.
Динамические и статистические закономерности.
Детерминизм – идея полной предопределенности будущих событий. Идеи сформулированы Древними Греками. Эпикур утверждал, что движение атомов всегда есть неотстранимая случайность. Детерминизм наибольшее развитие получил в механической картине мира. Движение материальных точек при заданном начальном состоянии происходит единственно возможным образом.
Лапласова концепция детерминизма утверждает, что будущее и прошлое вселенной полностью выводимы из ее текущего состояния и законов механики.
На детерминистическом описании мира строятся динамические теории. Пример динамических теорий: механика, электродинамика, термодинамика, теория относительности. Статистические теории описывают систему с учетом хаоса и беспорядка. Эти теории связывают собой вероятности статистических значений.
Основные понятия статистической теории: непредсказуемость и случайность. Вероятность – числовая мера случайности. Среднее значение величины – третье основное понятие. Четвертое – флуктуация – случайное отклонение от среднего. Степень отклонения характеризуют квадратичным отклонением. Примеры статистических теорий: молекулярно-генетическая теория, квантовые теории, эволюционная теория Дарвина.
Предсказания динамических и статистических теорий совпадают, когда можно пренебречь флуктуацией. Величины динамических теорий – среднее значение соответствующих статистических теорий.
Когда флуктуации важны, статистические теории дают более детальное описание.
Квантовая механика.
В классической физике считалось, что у объектов есть корпускулярная или волновая природа. Волны – распространяющиеся колебания в какой-либо среде. При наложении двух волн результат зависит от разности фаз колебаний, пришедших из этих двух разных источников.
Для корпускул характерна дискретность (неделимость). Для волн также характерна дифракция (способность огибать препятствия). Для микрочастиц и микросистем характерен корпускулярно-волновой дуализм.
ВНИМАНИЕ, УВАЖАЕМЫЕ ЧИТАТЕЛИ!
ДАЛЬНЕЙШИЕ МАТЕРИАЛЫ ЯВЛЯЮТСЯ СБОРНИКОМ СОЧИНЕНИЙ НЕСКОЛЬКИХ СТУДЕНТОВ. ВОЗМОЖНЫ ПОВТОРЫ С ПРЕДЫДУЩИМИ ЛЕКЦИЯМИ, ИБО ВАШ ПРЕДАННЫЙ СЛУГА ВХОДИТ В ЧИСЛО ЭТИХ СТУДЕНТОВ. ИСКРЕННЕ СОЖАЛЕЕМ ОБ ЭТОМ НЕУДОБСТВЕ. ПРИЯТНОГО ВРЕМЯПРЕПРОВОЖДЕНИЯ!