Концепция современного естествознания.
Марк Владимирович.
Тема №1: Возникновение науки и этапы ее развития.
Вопросы:
Проблемы возникновения науки в контексте культурных традиций Востока и Запада;
Отличительные черты античной науки;
Основные черты классической науки;
Основные черты неклассической науки.
Вопрос №1: Проблемы возникновения науки в контексте культурных традиций Востока и Запада.
Становление и развитие науки является актуальным.
Концепции развития науки:
Наука возникла в эпоху первобытности;
Наука возникла в эпоху античности;
Наука возникла в новое время;
Наука возникла на Западе. На Востоке религиозные мировоззрения не позволяло рассматривать мир, как объект изучения. В эпоху господства мифологического мировоззрения наблюдалось такое явление, как синкретизм.
Научные знания отличаются рациональностью, которые предполагают нацеленность причинно-следственных зависимостей. Отсюда возникает целая система критериев научного знания:
Системность;
Проверяемость;
Экспериментальная обоснованность;
В науке широко используется формализация. Данный критерий непротиворечив.
Эти критерии научного знания были сформулированы уже в 17 веке. Современная наука – это отдельный самостоятельный социальный институт. Современная наука тесно связана с производством. Носит экспериментальный характер. Осуществляет шаги по математизации науки.
Античная наука не была связана с материальным производством. У Аристотеля происходит тема тематизация естествознания и сокращения предметного поля науки.
Тема №2: Структурный уровни организации в материи.
Вопрос №1: Системная организация мира.
Каждый объект в природе относится к той или иной материальной системе. Совокупность систем образует мир в целом. Система – это совокупность элементов и связей. Системы бывают отношения координации и субординации. Системы обладают свойствами, которые не выводимы из свойств элемента. Все системы делятся на живые и неживые. К системе неживой природе относится физический вакуум, элементарные частицы, планеты и т.д. К живой природе относятся клетки, отдельные организмы, популяции, биосфера. В науке выделяют три уровня строения материя.
Макромир – это мир макро объект, размерность которых находится от миллиметра до километров.
Мега мир – мир огромных скоростей и огромных масштабов.
Современная наука занимается исследованием связей между данными мирами.
Вопрос №2: Современна модель микромира:
Вопросы лекции:
Этапы исследований элементарных частиц и технические средства их изучения.
Общая классификация элементарных частиц.
Типы физических взаимодействий и их носители
Кварковая модель адронов.
История исследования элементарных частиц:
1 этап: конец 19 века – середина 1930 г
Основные открытия 1897 – электрон (1897 г Дж . Томеон)
1910 г – протон (Э. Резерфорд)
1932 г – нейтрон (Дж. Чалвик)
1932 г – позитрон – (К. Андерсон)
1930 г – предсказано существование нейтрино (В. Паули)
Второй этап: 1940 – начало 1960:
Открытие пи-мезона (нестабильная частица, находится в космических излучениях)
Открытие 200 нестабильных частиц, которые распадаются и превращаются в стабильные.
Открытие в 1956 г. нейтрино.
Третий этап 1962 – 1995:
1962 г – предложена концепция кварков частиц, из которых состоят протон и нейтрон.
Разработана теория взаимодействия частиц.
Разработана стандартная модель элементарных частиц.
4 этап: 1995 – по настоящее время:
Разработана теория частиц, из которых состоит вещество, и частиц, из которых состоит поле.
Предложена гипотеза Хигтсовых-бозонов – первоначальных сверхмассивных частиц, из которых возникли остальных частиц.
Виды технических средств:
Ускорители с помощью магнитов задается искривляющая траектория и происходит сжатие в пучок.
Виды ускорителей – линейные, центрифуги и коллайдеры.
Особенность орбитальных коллайдеров пучок заряженных частиц сталкивается не с мишенью, а с другим пучком элементарных частиц.
Технические параметры адронного коллайдера в Женеве:
Орбита – 27 км.
Энергия сталкивающихся частиц – 10 Тэв
Самым крупный детектор – длиной 26 и диаметром 20 м.
Объем принимаемой детектором информации равен объему всей информации и европейских компьютерных сетях.
Предназначение адронного коллайдера – исследование шлубинных процессов и материй.
Иные технические средства:
Предназначена для решения менее глобальных задач.
Нейтральны телескоп. Предназначен для изучения нейтрино.
Электронные микроскопы.
Нейтронные микроскопы. Построены на основе рассеяния пучков нейтронов. Позволяют увидеть атомную решетку.
Все частицы делятся на подлинно элементарные и квазиэлементарные:
Подлинно элементарная частица не имеет ядра и не включает других частиц.
Квазиэлементарная – состоит из других элементарных частиц.
Основные характеристики элементарных частиц:
Современная физика высоких энергий выделяет следующие параментры:
Масса
Заряд
Время жизни
Спин
Иные квантовые числа
Лекция 3.
Тема: Космология.
Вопросы:
1) Структура мегамира и концепция Вселенной;
2) Концепции эволюции Вселенной.
Космология – это наука, которая изучает строение и эволюцию Вселенной. Это – раздел естествознания, который имеет не только научную, но и мировоззренческую основу.
Во многих мифах повествуется о начале возникновения мира. Где-то это спонтанное возникновение, а где-то это творение.
Основания современной космологии:
1) Современная космология включена в концепцию глобального эволюционизма;
2) В ее основе – неклассическая термодинамика, теория относительности, физика элементарных частиц.
Глобальный эволюционизм стал развиваться в начале 20 века. Мир понимается как открытая система.
Эмпирические основания: открытия внегалактической астрономии, в частности открытие разбегания Галактик (1929 – Хаббл). В основе данного открытия – применения принципа Допплера.
Мегамир:
1) Космос как система планет, звезд и галактик;
2) Вселенная – это весь существующий мир;
3) Метагалактика – это упорядоченная система галактик.
Современная Вселенная – это результат космической эволюции:
1) Метагалактика – это наблюдаемая часть Вселенной;
2) Она представляет собой совокупность межгалактического газа и излучения;
3) Метагалактика имеет «пористую» структуру.
Возраст Метагалактики – 15 млрд лет.
Время отсчитывается от момента разделения вещества и поля. Это – возраст галактик, которые оформились в самом начале возникновения Вселенной.
Галактики – это составные части Метагалактики. Каждая Галактика – это скопления миллиардов звезд, которые образуют в пространство различные конфигурации.
Формы Галактик:
1) В космологии выделяют четыре типа галактик;
2) Эллиптические. Они наиболее просты по структуре. Скопления звезд убывает от центра.
3) Спиральные. Включают спиральные ветви;
4) Неправильные галактики. В них отсутствует выделенное ядро;
5) Радиогалактики.
Ядро – скопление старых звезд. Их возраст – это возраст самой галактики. Ядра включают также и мощные излучения. Галактики вращаются вокруг ядра.
Звезда – это составная часть галактики. Все вещества во Вселенной и в галактиках – это преимущественно звездное вещество (97%). Звезда – это плазменный объект.
Звезды делятся на старые и молодые.
Она рождается из газопылевого вещества путем его конденсации и сгущения. Важное значение имеют силы гравитации и магнитные силы.
Звезды рождаются не столько по одиночке, сколько скоплениями. Начальный путь эволюции – протозвезда.
В недрах звезд происходит эволюция вещества. При температуре 10 млн градусов электроны оторваны от ядер. Водород при участии углерода превращается в водород. При этом возникают огромные излучения.
Виды звездных скоплений:
1) Кратные системы;
2) Собственно, звездные скопления. Подразделяются на рассеянные и шаровидные. Шаровидные, по числу звезд. В рассеянных – сотни звезд. В шаровых – сотни тысяч звезд.
Основные теории Вселенной:
1) Теория стационарной Вселенной. Основа – теория вечности и неизменности атомов. Это концепция господствовала до конца 19 века, когда была неизвестна эволюция звезд и источник их энергии. Вопрос об эволюции Вселенной не ставился;
Постулаты данной теории:
1) Космология познает мир таким, каков он есть, безотносительно к средствам наблюдения;
2) Пространство и время – абсолютны;
3) Пространство и время однородны и изотропны;
4) Однако в данной теории существовали два необъясненных парадокса.
Парадоксы:
1) Гравитационный. Если сила притяжения и гравитации велика, то почему не наблюдается гравитационного коллапса Вселенной?
2) Фотометрический. Почему не наблюдается абсолютной светимости неба?
3) Данные парадоксы разрешаются в современной космологической теории.
Современная релятивистская концепция эволюционирующей Вселенной.
Строится на основе уравнения сформулированного в Общей теория относительности Эйнштейна. Это уравнение имеет множество решений, поэтому существует несколько современных моделей эволюции Вселенной.
Модель Эйнштейна:
1) Вселенная имеет стационарный характер;
2) Время не имеет ни начала ни конца;
3) Пространство безгранично, но не бесконечно;
4) В целом данная модель похожа на классическую.
Другая модель – модель Ситтера:
Согласно де Ситеру (1917 г) возможна пустая Вселенная. Затем возникают массы, которые взаимооталкиваются. Это являлось основой для признания эволюции Вселенной.
Тема 5: Концепции квантовой физики
Вопросы:
Волновая теория света;
Волновые свойства вещества;
Принцип неопределенности;
Принцип дополнительности;
Эйнштейн и квантовая физика. Парадокс Эйнштейна – Подопольского – Розена.
Вопрос 1:
В начале 20 века было установлено, что законы классической механики не применимы не только к изучению свойств пространства и времени, но и к микромиру.
Атомные частицы ведут себя необычным образом, поэтому для их объяснения необходимы новые концептуальные подходы.
В результате возникает квантовая механика:
Верн;
Гейзенбер;
Шредингер;
Предыстория квантовой механики.
Квантовая механика называется волновой в отличие от корпускулярной теории, развивавшейся в классической механике.
Однако в рамках классической наука существовали волновые теории.
Предмет спора теории копускул и теории волн – оптические явления и теплота.
Теории света в классической науке:
Ньютон рассматривал свет как поток упругих корпускул.
Декарт и Пойгенс полагали, что свет – это механическая волна, которая распространятся в упругой среде – эфере.
Особенность классического подхода – противопоставление природы волны и природы частицы.
Доказательства волновой теории света:
Юнг установил явление интерференции света.
Открытие Планка:
В 1900 году Планк высказал идею, которая перевернула представительства о характере физических законов и открыла новую эру в физике.
Его открытие было сделано в контексте изучения теплового излучения абсолютно черного тела.
Гипотеза Планка:
Вещество не может излучать или поглощать энергию иначе, как конечными порциями пропорционально излучаемой чатоте.
Энергия одной порции: Е= hv
Результаты открытия Планка:
Исходя из своей гипотезы, Планк получил новый закон распределения спектральной плотности энергии излучения абсолютно черного тела, что согласовалось с экспериментами.
Были опровергнута континуалистская методология, представлявшая пространство, время, движение как нечто непрерывное и берущая свое начало от Аристотеля.
Применение гипотезы Планка:
Гипотеза применяется для объяснения процессов поглощения и излучения энергии.
Частный случай применения – объяснение явления фотоэффекта, природа которого находится в противоречии с классическими представлениями о дуализме волны и частицы.
В 1905 г Эйнштейн высказал идею о том, что явление фотоэффекта указывает на дискретную природу света.
Понимание дискретной природы света:
Свет – это потом корпускул, которые Эйнштейн назвал квантами.
В свою очередь эти кванты великий физик назвал фотонами.
Однако это – не корпускулы в привычном понимании.
Сферы проявления дискретной природы света:
При испускании и поглощении;
При свободном распространении излучения в пространстве с течением времени.
Экспериментальное открытие фотонов:
1923 год открыто явление, которое также подтверждает существование фотонов – эффект Комптона.
Корпускулярно-волновой дуализм света:
Представляет собой сочетание различных форм его поведения.
Свет ведет себя то как волна, то как корпускула.
Благодаря корпускулярным свойствам свет вырывает электроны с поверхности.
В дальнейшем корпускулярно-волновой дуализм был распространен на элементарные частицы.
Уточнение знаний о фотоне:
Фотон обладает энергией E=hv
Фотон движется со скоростью света.
Обладает массой, но она не является массой покоя.
Импульс фотона: P=mC
М – масса
C – скорость света.
Вопрос №2: Волновые свойства вещества.
Основополагающие идея квантовой механики.
Корпускулярно-волновая двойственность имеет универсальный характер.
В 1924 году Луи де Бройль распространил идею о двойственной корпускулярно-волновой природе света на все материальные объекты.
Волны де Бройля:
Каждой материальной частице соответствует волна, ее длина обратно пропорциональна импульсу частицы.
Все частицы, обладающие конечным импульсом Р, обладают волновыми свойствами. Их движение сопровождается некоторыми волновым процессом.
Эксперимент Дэвиссона и Джемера:
После опубликования статьи де Бойля ученые возобновили свои опыты и установили в 1927 году, что электрон дифрагирует на кристаллах как волна.
Парадокс Феймена:
Ученый констатировал, что в разных экспериментах электрон ведет себя различным образом: в одних случаях как частица, а в других – как волна.
Тема: Космология.
Вопросы:
1) Структура мегамира и концепция Вселенной;
2) Концепции эволюции Вселенной.
Космология – это наука, которая изучает строение и эволюцию Вселенной. Это – раздел естествознания, который имеет не только научную, но и мировоззренческую основу.
Во многих мифах повествуется о начале возникновения мира. Где-то это спонтанное возникновение, а где-то это творение.
Основания современной космологии:
1) Современная космология включена в концепцию глобального эволюционизма;
2) В ее основе – неклассическая термодинамика, теория относительности, физика элементарных частиц.
Глобальный эволюционизм стал развиваться в начале 20 века. Мир понимается как открытая система.
Эмпирические основания: открытия внегалактической астрономии, в частности открытие разбегания Галактик (1929 – Хаббл). В основе данного открытия – применения принципа Допплера.
Мегамир:
1) Космос как система планет, звезд и галактик;
2) Вселенная – это весь существующий мир;
3) Метагалактика – это упорядоченная система галактик.
Современная Вселенная – это результат космической эволюции:
1) Метагалактика – это наблюдаемая часть Вселенной;
2) Она представляет собой совокупность межгалактического газа и излучения;
3) Метагалактика имеет «пористую» структуру.
Возраст Метагалактики – 15 млрд лет.
Время отсчитывается от момента разделения вещества и поля. Это – возраст галактик, которые оформились в самом начале возникновения Вселенной.
Галактики – это составные части Метагалактики. Каждая Галактика – это скопления миллиардов звезд, которые образуют в пространство различные конфигурации.
Формы Галактик:
1) В космологии выделяют четыре типа галактик;
2) Эллиптические. Они наиболее просты по структуре. Скопления звезд убывает от центра.
3) Спиральные. Включают спиральные ветви;
4) Неправильные галактики. В них отсутствует выделенное ядро;
5) Радиогалактики.
Ядро – скопление старых звезд. Их возраст – это возраст самой галактики. Ядра включают также и мощные излучения. Галактики вращаются вокруг ядра.
Звезда – это составная часть галактики. Все вещества во Вселенной и в галактиках – это преимущественно звездное вещество (97%). Звезда – это плазменный объект.
Звезды делятся на старые и молодые.
Она рождается из газопылевого вещества путем его конденсации и сгущения. Важное значение имеют силы гравитации и магнитные силы.
Звезды рождаются не столько по одиночке, сколько скоплениями. Начальный путь эволюции – протозвезда.
В недрах звезд происходит эволюция вещества. При температуре 10 млн градусов электроны оторваны от ядер. Водород при участии углерода превращается в водород. При этом возникают огромные излучения.
Виды звездных скоплений:
1) Кратные системы;
2) Собственно, звездные скопления. Подразделяются на рассеянные и шаровидные. Шаровидные, по числу звезд. В рассеянных – сотни звезд. В шаровых – сотни тысяч звезд.
Основные теории Вселенной:
1) Теория стационарной Вселенной. Основа – теория вечности и неизменности атомов. Это концепция господствовала до конца 19 века, когда была неизвестна эволюция звезд и источник их энергии. Вопрос об эволюции Вселенной не ставился;
Постулаты данной теории:
1) Космология познает мир таким, каков он есть, безотносительно к средствам наблюдения;
2) Пространство и время – абсолютны;
3) Пространство и время однородны и изотропны;
4) Однако в данной теории существовали два необъясненных парадокса.
Парадоксы:
1) Гравитационный. Если сила притяжения и гравитации велика, то почему не наблюдается гравитационного коллапса Вселенной?
2) Фотометрический. Почему не наблюдается абсолютной светимости неба?
3) Данные парадоксы разрешаются в современной космологической теории.
Современная релятивистская концепция эволюционирующей Вселенной.
Строится на основе уравнения сформулированного в Общей теория относительности Эйнштейна. Это уравнение имеет множество решений, поэтому существует несколько современных моделей эволюции Вселенной.
Модель Эйнштейна:
1) Вселенная имеет стационарный характер;
2) Время не имеет ни начала ни конца;
3) Пространство безгранично, но не бесконечно;
4) В целом данная модель похожа на классическую.
Другая модель – модель Ситтера:
Согласно де Ситеру (1917 г) возможна пустая Вселенная. Затем возникают массы, которые взаимооталкиваются. Это являлось основой для признания эволюции Вселенной.
Тема №5:
Вопросы: Термодинамический процесс