Dzhalmuhambetov A.Ju., Fisenko M.A

ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНТСТВО ПО ОБРАЗОВАНИЮ АСТРАХАНСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ

А.У. Джалмухамбетов, М.А. Фисенко

СОВРЕМЕННАЯ ЕСТЕСТВЕННОНАУЧНАЯ КАРТИНА МИРА

Учебно-методическое пособие

для студентов, обучающихся по направлению:

050200 – Физико-математическое образование (физическое образование)

и по специальности:

050203 – Физика с дополнительной специальностью

Издательский дом «Астраханский университет»

2010

1

УДК 50(075.8) УДК 53:378.16

ББК 20

Д40

Рекомендовано к печати редакционно-издательским советом Астраханского государственного университета

Рецензенты:

доктор физико-математических наук Саратовского государственного технического университета

М.Д. Элькин;

кандидат технических наук Астраханского государственного технического университета

В.И. Локтев

Джалмухамбетов, А. У. Современная естественнонаучная картина мира [Текст] : учебно-методическое пособие / А. У. Джалмухамбетов, М. А. Фисенко. – Астрахань : Астраханский государственный университет, Издательский дом «Астраханский университет», 2010. – 105 с.

Предназначено для углубления и органичного синтеза естественнонаучных знаний, получаемых студентами в процессе подготовки, на основе фундаментальных представлений о материи и ее важнейших свойствах. Может быть полезным студентам, обучающимся по программам естественнонаучных и математических направлений.

ISBN 978-5-9926-03121-5

©Астраханский государственныйуниверситет, Издательский дом «Астраханский университет», 2010

©А. У. Джалмухамбетов, М. А. Фисенко, 2010

©В. Б. Свиридов, дизайн обложки, 2010

2

3

ПРЕДИСЛОВИЕ

В настоящее время система подготовки студентов естественнонаучных направлений выстроена таким образом, что знания, получаемые ими, разделены по исторически сложившимся научным направлениям и дисциплинам, специализирующимся на изучении различных объектов и явлений. Чтобы убедится в этом, достаточно беглого взгляда на учебные планы специальностей. Возникающие между дисциплинами барьеры, связанные с различиями исследуемых систем и применяемых методов, усугубляются сложностью терминологии, специфической для каждого научного направления, и ведут к потере целостности естественнонаучных знаний. В результате этого студенты испытывают затруднения в применении знаний, полученных в рамках одной дисциплины, в других областях, пребывая в плену стереотипов, сформировавшихся у них при раздельном изучении естественнонаучных дисциплин. Например, при изучении физики крайне редко обращаются к примерам физических явлений в живых системах, а при изучении химических и в особенности биологических систем не могут применять надежно установленные количественные законы и соотношения физики, ограничиваясь рассуждениями лишь качественного характера. Поэтому для повышения эффективности использования естественнонаучных знаний на практике необходимо научить студентов применению количественных соотношений и оценок при изучении материальных систем разного уровня сложности, включая и те из них, что не поддаются более или менее точному математическому описанию, и относящихся к объектам различных учебных дисциплин.

Для преодоления междисциплинарных барьеров необходим органичный синтез естественнонаучных знаний, получаемых студентами в процессе обучения. Основной трудностью на этом пути является необычайная широта и сложность современных знаний о материи и ее свойствах, разнообразие методов их получения. Практически невозможно отдельно взятому человеку охватить одинаково глубоко все области современных наук о материи. Наиболее целесообразным представляется подход, в котором отправной точкой служат достаточно хорошо изученные фундаментальные законы природы, сформулированные квантовой и релятивистской физикой.

Предлагаемый курс «Современная естественнонаучная картина мира» нацелен на интеграцию естественнонаучных дисциплин. В Астраханском государственном университете одноименная учебная дисциплина входит в блок регионально-вузовского компонента учебного плана подготовки магистров направления 050200 – Физико-математическое образование (физическое образование). Содержание курса соответствует также дисциплине «Единая картина мира» учебных планов следующих специальностей: 050203 – Физика; 050201 – Математика; 050502 – Технологияи предпринимательство.

4

Необходимость в подобном учебном курсе вызвана также изменением роли физических знаний в обществе. Современная физика, оставаясь на острие технического и технологического прогресса, все в большей степени отвечает задачам формирования научного мировоззрения, приближая ее к миропониманию в полном смысле этого слова. Миропонимание невозможно без знания глубоких связей между всеми материальными процессами и явлениями природы, выражаемых количественными соотношениями. Поэтому специально составленная система задач-оценок является неотъемлемой частью данного курса.

Но, пожалуй, главным в миропонимании должно быть представление о материальном единстве мира. Почему же это единство не бросается в глаза, не лежит на поверхности? Да потому, что материя очень сильно и очень сложно структурирована. Наличие пространственной структуры легко заметить, если внимательно осмотреться вокруг. Видимые нам предметы макромира чаще всего отделены от окружающего пространства осязаемыми границами. На ночном небосводе можно легко увидеть огромное множество небесных тел. Структурность материи проявляется и в различных уровнях плотности вещества и энергии, сжимаемости вещества и других ее свойств. Пространственная структура характерна и для микромира.

Единство материального мира проявляется, прежде всего, в единстве его «элементов» или «первокирпичиков» и в единстве сил, связывающих их, то есть в единстве фундаментальных взаимодействий. Проявляется оно, например, в возможности взаимопревращений частиц и квантов. Преходящими являются состояния и формы материи: при определенных условиях они испытывают взаимные превращения и переходы на любом уровне. В данном курсе уделяется должное внимание этим условиям.

Наши знания о природе наряду со специализацией и ветвлением по мере развития проявляют также противоположную тенденцию к объединению. Особенно наглядно это можно продемонстрировать на примере развития физики. Механика Ньютона объединила законы движения земных и небесных тел. Электродинамика Максвелла объединила электрические, магнитные и оптические явления. Специальная теория относительности Эйнштейна объединила пространство и время. Квантовая механика, объединив в концептуальном плане понятия частицы и волны, детерминизм и вероятность, связала атомную физику с химией и физикой конденсированных сред. Квантовая теория поля, объединив различные типы элементарных частиц и фундаментальных взаимодействий между ними, привела к теориям великого объединения и суперобъединения.

5

1.Теоретические основы курса

1.1.Естествознание и естественнонаучная картина мира

Чувственный опыт убеждает нас в том, что объекты и явления окру-

жающего нас мира находятся в определенных отношениях друг к другу. Мы стремимся отразить эти отношения в понятной нам картине мира, чтобы в известной мере попытаться заменить мир картиной, которая помогает ориентироваться в окружающем нас мире и определять свою деятельность. Складываясь из отдельных фрагментов по мере накопления опыта и знаний, она образует основунашего мировоззрения.

Предметом нашего изучения является общая картина научных знаний, создаваемая современным естествознанием. Естествознание охватывает всю совокупность фактов и явлений, воспринимаемых нашими органами чувств. Оно призвано обобщать эти факты и создавать теоретические модели, устанавливать законы, управляющие явлениями природы. Современное естествознание представлено множеством самостоятельных направлений, таких как физика, астрономия, химия, науки о Земле, биология и других. Сегодня становится ясным, что законы и выводы различных естественнонаучных дисциплин должны быть взаимно согласованными и непротиворечивыми, так как они изучают различные стороны систем и явлений единой природы. Научные методы и результаты одной области естествознания успешно применяются в других его областях, что способствует интеграции различных естественнонаучных направлений.

Фундаментальной составляющей естествознания сегодня бесспорно является физика, представляющая собой совокупность естественных наук, изучающих базисные структуры и связи в природе. Удивительной особенностью этой науки является то, что ее понятия и связи между ними выражаются количественными соотношениями, поэтому они формулируются на математическом языке. Таким образом, математические методы исследования становятся необходимым инструментом теоретического изучения природы. Без предварительного теоретического исследования практически невозможно правильно поставить и провести современный физический эксперимент. Совокупность научных представлений и методов физики глубоко пронизывают все естественные науки, связывая и дополняя их.

В современном обществе, которое становится все более техногенным, усиливается роль естествознания в развитии производительных сил общества и культуры в целом. Научно-техническая революция второй половины XX века, превратив естественнонаучные знания из собственности отдельных групп людей во всеобщее достояние человечества, вооружило его для масштабных позитивных преобразований природы и общества. Вместе с тем стало ясным, что неразумное применение естественнонаучных знаний может приводить и к катастрофическим последствиям. Поэтому человечество с опасением относится к некоторым приложениям естествознания.

6

Это связано не только с оружием массового поражения, но и с огромной техногенной опасностью ряда отраслей и некоторых биологических опытов. Но следует учитывать, что без современного уровня развития естественных наук человечество было бы не в состоянии обеспечить необходимым для жизни население Земли, которое сегодня составляет более шести миллиардов человек. Естественнонаучные знания – это главное оружие, которое человечество может использовать в борьбе с такими извечными своими противниками как холод, голод, болезни и невежество.

Отношения естествознания с другими направлениями человеческой культуры, такими как религия, идеология и политика, не всегда были гладкими, а порой и вовсе драматичными (достаточно вспомнить, как сложились судьбы Джордано Бруно, Галилео Галилея, Николая Вавилова и многих других). Но все, же в последние десятилетия XX в. произошли заметные положительные перемены, что также было стимулировано научнотехнической революцией. Постепенно приходит понимание того, что естествознание в современную эпоху является не только мощным двигателем технического и технологического прогресса, но и важнейшей составной частью духовной культуры всего человечества. Снижается острота противопоставления двух культур, двух типов мышления: художественногуманитарного и естественнонаучного.

Каждая из естественных наук стремилась всегда к созданию научных картин мира, которые охватывали бы природу исходя из представлений и законов данной науки. Таковы, например механическая, электродинамическая, квантово-механическая, химическая и биологическая картины мира. Развитие и взаимопроникновение естественных наук на современном этапе позволяет объединить их в единую естественнонаучную картину мира. Естественнонаучная картина мира – это целостная система представлений об общих свойствах и закономерностях природы. Она основывается на естественной обусловленности и естественном порядке в природе, на познаваемости мира. Знания, лежащие в основе научной картины мира, могут быть поставлены под сомнение и поддаются объективной проверке.

Изучение природы в рамках отдельных дисциплин идет обычно в направлении от целого к части, что соответствует процессу познания. Например, в физике сначала изучаются макротела, а затем их молекулярное строение, далее изучаются атомы, и так вплоть до физики элементарных частиц. В биологии схема аналогична: таксоны, организмы, органы, клетки и, наконец, биологические макромолекулы. Другими словами природа «разбирается на отдельные кирпичики». В данном курсе мы постараемся проследить системы и явления природы в обратном порядке, выясняя как из «кирпичиков» складываются «здания», «города» и даже «цивилизации», то есть от части к целому.

7

1.2. Физические величины, их единицы и системы единиц

Чтобы количественно выразить физические свойства материальных объектов и явлений необходимо ввести понятие физической величины. Центральным пунктом во введении физической величины является сравнение того или иного свойства объекта с такого же рода свойством, принимаемым за единицу. Результат сравнения математически выражается отношением рассматриваемого свойства к единице данной величины.

Взаимосвязь свойств материальных объектов устанавливается в виде связи между физическими величинами. В физических экспериментах эти связи устанавливаются опытным путем, а в теоретической физике – с помощью математических методов, исходя из известных соотношений, прямо или косвенно связанных с рассматриваемыми. Например, классические уравнения динамики материальной точки отражают связь между ускорением, силой и массой частицы. Решение этих уравнений позволяет определить зависимость координат и скорости частицы от времени и начальных значений. Одна из сторон применения математики в физике и других естественнонаучных дисциплинах заключается в значительной экономии времени и ресурсов, необходимых для установления связи между величинами. Полученные математическими методами соотношения нуждаются в экспериментальной проверке.

Подавляющее большинство физических и геометрических величин, которыми мы пользуемся повседневно, являются размерными, то есть выражаются в тех или иных единицах. Исторически сложилось так, что одна из важнейших единиц – единица длины – вводилась в повседневную практику произвольным образом и существенно отличалась в разных странах. Использовались различные единицы длины. Среди них заметно преобладали антропометрические единицы: шаги, локти, футы, ярды, вершки, дюймы, сажени и другие. В определении единиц времени произвола было гораздо меньше, так как периодичность восхода и захода солнца предопределила единую для всего человечества единицу– солнечные сутки.

Развитие в новейшее время промышленности и международной торговли потребовало систематизации единиц измерения физических величин. Введение систем единиц позволило, если не полностью преодолеть имеющийся произвол в выборе единиц, то заметно его уменьшить. В физике чаще всего используются гауссова система единиц, основными механическими единицами которой являются сантиметр, грамм и секунда, а единица электрического заряда определяется из закона Кулона. Ее преимущество перед другими системами состоит в том, что уравнения электродинамики, записанные в этой системе единиц, имеют симметричный вид и содержат лишь одну размерную постоянную с, имеющую физический смысл скорости света в вакууме.

8

В международной системе единиц (СИ) в качестве основных механических единиц выбраны метр, килограмм и секунда, а за основную электродинамическую единицу выбрана единица силы тока – ампер. Эта система единиц очень удобна для практического применения, особенно в технике и промышленности. В настоящее время учебный процесс в школах и вузах согласно государственному стандарту основывается на этой системе единиц. Основным недостатком СИ является то, что многие физические формулы, записанные в этой системе, содержат громоздкие постоянные множители, затрудняющие понимание сути физических явлений.

Первоначально за единицу длины – метр – была принята одна сорокамиллионная часть длины парижского меридиана, а за единицу массы – килограмм – масса кубического дециметра воды. За основную единицу времени – секунду принимали 1/31556925,9747 часть условного тропического года. В настоящее время она связана с периодом электромагнитного излучения: секунда – единица времени, равная 9192631770 периодов излучения, соответствующего переходу между двумя сверхтонкими уровнями основного состояния атома цезия-133 (длина волны 3,26 см). Эталон метра сегодня устанавливается на основе скорости света и эталона секунды, который базируется на периоде электромагнитной волны. Метр – единица длины, равная расстоянию, проходимому в вакууме плоской электромагнитной волной за 1/299792458 долей секунды.

Современная физика ввела в рассмотрение две фундаментальные по-

стоянные – постоянную Планка и скорость света в вакууме с, значения

которых в единицах СИ равны соответственно = 1,05457266 10-34 Дж с и

с= 2,99792458 108 м/с. Они входят в соотношения, связывающие энергию E частицы с частотой и периодом T соответствующей волны де Бройля и

сее релятивистской массой m:

Если считать постоянную Планка и скорость света безразмерными, и принять их значения равными единице ( = c = 1), то получим систему

единиц, применяемую в теоретической физике, Будем называть ее естественной системой единиц (ЕСЕ). В такой системе достаточно выбрать только одну основную размерную единицу, а все остальные единицы будут производными, то есть различными степенями основной единицы. В качестве основной удобно выбрать единицу времени или длины, например, за основную единицу можно принять период или длину волны фотона, энергия которого равна энергии покоя протона. Мы выберем единицу длины, под которой для определенности будем понимать привычную единицу – метр. Такая система единиц позволяет с одной стороны избавиться от мно-

9

гочисленных сложных размерных коэффициентов в формулах и увидеть соотношения и законы физики в их естественном виде, а с другой – лучше узнать достоинства и недостатки других систем единиц, в частности международной системы (СИ). Поэтому ниже рассмотрим связь физических величин, выраженных в ЕСЕ, с их значениями в системе СИ.

Итак, при нашем выборе единица длины в ЕСЕ совпадает с единицей длины в СИ:

l l, [l ] = [l] = [м]. (2.3)

Здесь и далее знак «~» над обозначением физической величины означает, что эта величина выражена в естественных единицах. Такие геометрические величины, как площадь и объем, также совпадают в сравниваемых естественной системе единиц и СИ.

Интервал времени t в ЕСЕ оказывается связанным с интервалом вре-

своему физическому смыслу единица времени 1 м – это время, за которое свет в вакууме распространяется на расстояние в 1 метр.

Скорость частицы в естественной системе является безразмерной ве-

Она имеет смысл отношения скорости частицы к скорости света, и ее значения не превышают единицу, то есть v 1. В релятивистской механике обычно для скорости частицы используется обозначение v vc. Переход от одних единиц к другим не изменяет направления векторных величин, поэтому в формуле (2.5) не учитываем векторный характер соотношения. Так как размерные соотношения не затрагивают направление векторных величин, то в этом параграфе будем опускать обозначения векторов, записывая равенства лишь для их модулей.

С помощью формул (2.4) и (2.5) нетрудно установить связь величины ускорения частицы в ЕСЕ с ускорением, выраженным в СИ:

Отсюда следует, что формула (2.1) энергии кванта принимает в ЕСЕ очень простой вид E , так как = 1, а размерность энергии равна обратной еди-

10