Тема 5. Физическая картина мира

Революции в физическом мировоззрении. Определение физика как отрасли естествознания. Три научные революции в физике. Аристотелевская революция VI-VI вв. до н.э. Ньютоновская револю­ция в физике ХVI-ХVШ вв. Эйнштеновская научная революция в физике ХIХ-ХХ вв. Иерархичность миров и границы применимости физических теорий. Выделение микро-, макро- и мегамир.

Концепции классической физики. Механика. Модель материальной точки. Закон движения, кинематические характеристики. Законы Ньютона. Силы в природе, принцип суперпозиции. Импульс. Область применимости законов Ньютона. Система материальных точек, закон изменения и сохранения импульса системы. Реактивное движение. Работа и энергия. Закон сохранения и изменения механической энергии. Пространство состояний. Абсолютно твердое тело. Степени свободы. Поступательное и вращательное движение. Момент инерции, момент силы, момент импульса. Закон сохранения и изменения момента импульса системы. Гироскоп. Прецессия – от планет, до элементарных частиц. Модель осциллятора. Колебания вблизи равновесия. Спектр. Резонанс. Разложение колебаний по нормальным модам. Волны бегущие и стоячие, поперечные и продольные. Волновое уравнение, принцип Гюйгенса-Френеля. Явления дисперсии, интерференции, дифракции, поляризации. Термодинамика. Теплота, температура и внутренняя энергия. Уравнение состояния и уравнение процесса. Первое начало термодинамики. Второе начало термодинамики. Третье начало термодинамики. Электромагнетизм. Дальнодействие и близкодействие. Электромагнитные волны: технические и медицинские приложения. Проблемы классического синтеза. Противоречия между механикой и электромагнетизмом. Поиск эфира. Противоречия между термодинамикой и электромагнетизмом: объяснение спектра излучения нагретых тел. Ультрафиолетовая катастрофа. Противоречия между механикой и термодинамикой: необратимость времени в тепловых процессах.

Теория относительности. Специальная теория относительности. Постулаты специальной теории относительности Эйнштейна. Следствия теории относительности и их эвристический вывод: относительность одновременности, сокращение продольных размеров движущихся тел, замедление хода движущихся часов. Парадокс близнецов. Собственные длина и время. Преобразования Лоренца, четырехмерные векторы. Единое пространство-время. Релятивистские инварианты, пространственно-временной интервал. Мировые линии. Инвариантность причинной связи в теории относительности. Закон сложения скоростей. Релятивистские энергия, импульс. Обобщение закона Ньютона. Четырехмерный вектор энергии импульса, его инвариант. Массивные и безмассовые частицы. Энергия покоя. Два способа преобразования массы покоя в энергию движения – синтез и распад ядер, дефект масс. Деление тяжелых ядер, атомная энергетика и атомное оружие. Технологические проблемы: обогащение, эксплуатация, утилизация. Термоядерный синтез легких элементов: синтез в звездах, водородная бомба. Перспективы управляемого синтеза: лазерный термояд и токамак.

Общая теория относительности. Классическая космология. Принцип эквивалентности гравитационной и инертной массы. Связь геометрии и гравитации. Уравнения Эйнштейна. Большие массы и астрофизические феномены искривления пространства и замедления времени. Эволюция звезд. Черные дыры и возможность их косвенного наблюдения. Концепции возникновения и развития Вселенной. Эволю­ционные идеи А.А. Фридмана. Эффект «разбегания» галактик Э. Хаблома. Модель «горячей» Все­ленной Г. Гамова. Современные космогонические представления.

Квантовая физика. Нерелятивистская квантовая механика. Гипотеза квантов Планка. Абсолютно черное тело. Явление фотоэффекта и теория фотонов Эйнштейна. Корпускулярно-волновой дуализм света. Планетарная модель атома Резерфорда. Первая квантовая модель атома Бора. Постулаты Бора. Волны материи де-Бройля. Оптико-механическая аналогия и уравнение Шредингера. Вероятностная интерпретация волновой функции. Дифракция электронов. Матричная механика наблюдаемых Гейзенберга. Операторы и современный формализм квантовой механики. Стационарные состояния, полный набор наблюдаемых. Наблюдаемая-состояние-среднее, редукция волновой функции. Языки квантовой механики, теория представлений фон Неймана. Квантовая вероятность и детерминированность. Соотношение неопределенности Гейзенберга и принцип дополнительности Бора. Тоннельный эффект. Распад связанных состояний. Квантование моделей классической механики. Тождественные частицы в квантовой механике. Фермионы и бозоны. Связь спина со статистикой. Принцип запрета Паули. Обоснование заполнения оболочек в периодической таблице химических элементов. Теория химической связи. Атомные и молекулярные спектры. Вращательные, колебательные, электронные. Трудности квантовой механики, ее различные интерпретации. Проблема скрытых параметров. Эффект Эйнштейна-Подолького-Розена. Элементы статистической физики. Вероятность как атрибут сложных систем. Понятие ансамбля в естественных и гуманитарных науках. Равновесные и неравновесные состояния. Вероятностные распределения в молекулярно-кинетической теории. Максвелл, Больцман, Гиббс, вычисление средних. Больцмановское определение энтропии ее связь с информацией и степенью упорядоченности. Классическая связь теплоемкости и степеней свободы молекул. Примирение динамического и статистического подходов – эргодическая теория.

Релятивистская квантовая физика (физика квантовых полей и элементарных частиц). Релятивистское волновое уравнение Дирака. Наличие решений для античастиц, невозможность нормировки. Вторичное квантование – квантованные поля. Море Дирака – квантовый вакуум. Квантовая электродинамика. Виртуальные частицы, одевания и перенормировки. Четыре типа взаимодействий: гравитационное, электромагнитное, слабое, сильное. Элементарные частицы. Фундаментальные фермионы стандартной модели: шесть кварков, шесть лептонов, история открытия. Фундаментальные бозоны глюоны, фотоны, W-бозоны. Гипотеза невылетания кварков, цвет, калибровочные поля, струны. Симметрии квантовых систем и феномен ее нарушения, идеи объединения разных взаимодействий. Квантовая статистическая физика. Квантовое распределение Гиббса. Квантовая ферми- и бозе-статистика. Зонная теория электронов. Металлы, полупроводники, диэлектрики. Модель квазичастиц, фотонный газ в кристаллах, теплоемкость твердых тел. Явление сверхтекучести, бозе-конденсат. Сверхпроводимость, куперовские пары, БКШ теория. Лазер, когерентное излучение, голография.

Релятивистская квантовая статистическая физика – попытка синтеза фундаментальной физики. Квантовая космология. Теория великого объединения всех взаимодействий на ранних стадиях эволюции Вселенной. Теория инфляции и последовательного нарушения симметрии квантового вакуума. Антропный принцип. Перспективы физики XIX века. О возможности переносов естественнонаучных методов в гуманитарную сферу. О проблемах физики живых систем и психофизических феноменах. О науке и "паранауке". Место физики в науке тысячелетия.