
- •Концепции современного естествознания
- •Содержание
- •Введение
- •1 Нормативные ссылки
- •2 Инструкция по работе с методическими указаниями
- •Пример: Литература: [1, с. 14-16]; [2, с. 6-9]; [3, с. 6-8],
- •3 Программа дисциплины
- •Тема 1. Введение. Предмет и задачи курса «Концепции современного естествознания». Система современного естествознания
- •Вопросы для самопроверки
- •Тема 2. Естественнонаучная и гуманитарная культуры
- •Вопросы для самопроверки
- •Тема 3. Научный метод и структура научного познания
- •Вопросы для самопроверки
- •Тема 4. Основные этапы развития естествознания
- •Вопросы для самопроверки
- •Тема 5. Естественнонаучная картина мира
- •Вопросы для самопроверки
- •Тема 6. Концепции пространства и времени в естествознании
- •Вопросы для самопроверки
- •Тема 7. Фундаментальные физические взаимодействия
- •Вопросы для самопроверки
- •Тема 8. Детерминизм и причинность в современной физике. Динамические и статистические законы
- •Вопросы для самопроверки
- •Тема 9. Принципы современной физики
- •Вопросы для самопроверки
- •Тема 10. Структурные уровни организации материи. Классификация элементарных частиц
- •Вопросы для самопроверки
- •Тема 11. Концепции космологии
- •Вопросы для самопроверки
- •Тема 12. Химия и ее роль в становлении естественнонаучных знаний
- •Вопросы для самопроверки
- •Тема 13. Химические системы
- •Вопросы для самопроверки
- •Тема 14. Концептуальное содержание наук о Земле
- •Вопросы для самопроверки
- •Тема 15. Биология в современном естествознании. Особенности биологического уровня организации материи
- •Вопросы для самопроверки
- •Тема 16. Многообразие живых организмов – основа организации и устойчивости биосферы
- •Вопросы для самопроверки
- •Тема 17. Концепции возникновения, наследования и эволюции жизни
- •Вопросы для самопроверки
- •Тема 18. Человек – происхождение, физиология, творчество, эмоции, работоспособность
- •Вопросы для самопроверки
- •Тема 19. Учение в.И. Вернадского о биосфере и ноосфере
- •Вопросы для самопроверки
- •Тема 20. Принцип универсального эволюционизма
- •Вопросы для самопроверки
- •4 Контрольная работа
- •5 Задания на контрольную работу
- •6 Содержание и оформление контрольной работы
- •9 Вопросы для подготовки к экзамену (зачету)
- •Список рекомендуемой литературы
- •Редактор н.А. Колычева
- •350072, Г. Краснодар, ул. Московская, 2, кор. А
Вопросы для самопроверки
Сравнить понятия пространства и времени в работах Ньютона и Эйнштейна.
Перечислите основные свойства пространства и времени.
Тема 7. Фундаментальные физические взаимодействия
В природе различают четыре вида фундаментальных взаимодействий: сильное, электромагнитное, слабое и гравитационное.
Гравитация первым из четырех фундаментальных взаимодействий стала предметом научного исследования. Созданная в XVII в. ньютоновская теория гравитации (закон всемирного тяготения) позволила впервые осознать истинную роль гравитации как силы природы. Релятивистской теорией гравитации является общая теория относительности, которая в области слабых гравитационных полей переходит в теорию тяготения Ньютона.
Наиболее удивительной особенностью гравитации является ее малая интенсивность. Гравитационное взаимодействие в 1039 раз меньше силы взаимодействия электрических зарядов. Поэтому в описании взаимодействий элементарных частиц оно обычно не учитывается. Вторая особенность гравитации − ее универсальность. Каждая частица испытывает на себе действие гравитации и сама является источником гравитации, вызывает гравитационное притяжение. Гравитация возрастает по мере образования все больших скоплений вещества. И хотя притяжение одного атома пренебрежимо мало, но результирующая сила притяжения со стороны всех атомов может быть значительной.
Кроме того, гравитация − дальнодействующая сила природы. Это означает, что, хотя интенсивность гравитационного взаимодействия убывает с расстоянием, оно распространяется в пространстве и может сказываться на весьма удаленных от источника телах. В астрономическом масштабе гравитационное взаимодействие, как правило, играет главную роль. Благодаря дальнодействию гравитация не позволяет Вселенной развалиться на части: она удерживает планеты на орбитах, звезды в галактиках, галактики в скоплениях, скопления в Метагалактике.
По величине электрические силы намного превосходят гравитационные, поэтому в отличие от слабого гравитационного взаимодействия электрические силы, действующие между телами обычных размеров, можно легко наблюдать. Электромагнетизм известен людям с незапамятных времен (полярные сияния, вспышки молнии и др.). Но долгое время электрические и магнитные явления изучались независимо друг от друга. И только в середине XIX в. Дж. К. Максвелл объединил учения об электричестве и магнетизме в единой теории электромагнитного поля. А существование электрона (единицы электрического заряда) было твердо установлено в 1890-е гг. Но не все элементарные частицы являются носителями электрического заряда. Электрически нейтральны, например, фотон и нейтрино. Как и электрические заряды, одноименные магнитные полюсы отталкиваются, а разноименные — притягиваются. Но в отличие от электрических зарядов магнитные полюсы встречаются не по отдельности, а только парами — северный полюс и южный.
Электромагнитное поле неподвижных или равномерно движущихся заряженных частиц неотрывно от этих частиц. Но при ускоренном движении частиц электромагнитное поле «отрывается» от них и участвует в независимой форме электромагнитных волн. При этом радиоволны (103 − 1012 Гц), инфракрасное излучение (1012 − 3,7∙1014 Гц), видимый свет (3,7∙1014 − 7,5∙1014 Гц), ультрафиолетовое излучение (7,5∙1014 − 3∙1017 Гц), рентгеновское излучение (3∙1017 − 3∙1020 Гц) и гамма-излучение (3∙102 − 1023 Гц) представляют собой электромагнитные волны различной частоты. Электромагнитное взаимодействие является дальнодействующим, оно ощутимо на больших расстояниях от источника и подчиняется закону обратных квадратов. Электромагнитное взаимодействие проявляется на всех уровнях материи — в мегамире, макромире и микромире.
Электромагнитное поле Земли простирается далеко в космическое пространство, мощное поле Солнца заполняет всю Солнечную систему; существуют и галактические электромагнитные поля. В то же время электромагнитное взаимодействие определяет структуру атомов и молекул (положительно заряженное ядро и отрицательно заряженные электроны). Оно отвечает за подавляющее большинство физических и химических явлений и процессов (за исключением ядерных): силы упругости, трения, поверхностного натяжения, им определяются свойства агрегатных состояний вещества, химических превращений, оптические явления, явления ионизации, многие реакции в мире элементарных частиц и др.
К выявлению существования слабого взаимодействия физика продвигалась медленно. Слабое взаимодействие ответственно за распады частиц, поэтому с его проявлением столкнулись при открытии радиоактивности и исследовании бета-распада.
Слабое взаимодействие по величине значительно меньше всех взаимодействий, кроме гравитационного. Там, где оно присутствует, его эффекты оказываются в тени электромагнитного и сильного взаимодействий. Кроме того, слабое взаимодействие распространяется на очень незначительные расстояния. Радиус слабого взаимодействия очень мал (10-16 см). Потому оно не может влиять не только на макроскопические, но даже на атомные объекты и ограничивается субатомными частицами. Кроме того, по сравнению с электромагнитным и сильным взаимодействиями слабое взаимодействие протекает чрезвычайно медленно.
Сильное взаимодействие. Последнее в ряду фундаментальных взаимодействий − сильное взаимодействие, которое является источником огромной энергии. Наиболее характерный пример энергии, высвобождаемой сильным взаимодействием, − Солнце. В недрах Солнца и звезд непрерывно протекают термоядерные реакции, вызываемые сильным взаимодействием (при существенном участии и слабого взаимодействия). Но и человек научился вызывать сильное взаимодействие: создана водородная бомба, сконструированы и совершенствуются технологии управляемой термоядерной реакции.
К представлению о существовании сильного взаимодействия физика шла в ходе изучения структуры атомного ядра. Выяснилось, что, хотя по своей величине сильное взаимодействие существенно превосходит все остальные фундаментальные взаимодействия, за пределами ядра оно не ощущается. Сильное взаимодействие проявляется на расстоянии, определяемом размерами ядра, т.е. примерно 10-13 см. Главная функция сильного взаимодействия в природе − создание прочной связи между нуклонами (протонами и нейронами) в ядрах атомов. При этом столкновение ядер или нуклонов, обладающих высокими энергиями, приводит к разнообразным ядерным реакциям, в том числе реакции термоядерного синтеза на Солнце, которая является основным источником энергии на Земле.
Вместе с тем выяснилось, что сильное взаимодействие испытывают не все частицы. Так, его испытывают протоны и нейтроны, но электроны, нейтрино и фотоны не подвластны ему. В сильном взаимодействии участвуют обычно только тяжелые частицы.
Литература: [2, с. 223-244]; [7, с. 215-227].