Семинар 1..

Материя, согласно МКМ – это вещество, состоящее из мельчайших, далее неделимых, абсолютно твердых движущихся частиц – атомов, т.е. в МКМ были приняты дискретные (дискретный – “прерывный”), или, другими словами, корпускулярные представления о материи. Вот почему важнейшими понятиями в механике были понятия материальной точки и абсолютно твердого тела (Материальная точка – тело, размерами которого в условиях данной задачи можно пренебречь, абсолютно твердое тело – система материальных точек, расстояние между которыми всегда остается неизменным).

1)))Разобьем эволюцию представлений о материи на этапы: 1 этап Милийская школа (VI – IV века до н.э.) Представители школы (Фалес, Анаксимандр, Анаксимен) считали, что в мире существует материальный первоисточник (первоначало) всего сущего (всех вещей). У разных мыслителей эта первооснова была разной: у Фалеса – вода, у Анаксимена – воздух, у Гераклита – огонь, у Анаксимандра – айперон (это вечное и бесконечное, находящееся в непрерывном движении единое материальное начало и источник конкретных вещей и явлений) 2 этап ^ Атомистическая концепция (IV – III века до н.э.) Главным образом связана с именами Левкиппа и Демокрита. Основные положения: - в мире есть два начала: пустота (небытие) и атомы (бытие) - в абсолютной пустоте окружающего пространства существует бесконечное число мельчайших неделимых - атомов, которые имеют разнообразную форму и движутся в пустоте беспорядочно, иногда сталкиваются и отталкиваются друг от друга, но иногда сцепляются в разных положениях и сочетаниях, что означает образование вещей с разным качеством (даже Земля и звезды) - атомы никогда не возникают и никогда не погибают (т.е. вечны) - атомы наделены свойством тяжести - атомы бывают самой разнообразной формы и различны по размерам, но все они столь малы, что невидимы - эта концепция не допускает беспредельной делимости материи. Континуальная концепция (концепция непрерывной материи) Аристотеля (IV век до н.э.) отрицает пустоту в природе, рассматривая материальный мир в виде, непрерывно заполняющей все пространство, субстанции, в которой совершаются движения. По Аристотелю – Космос ограничен сферой, в центре которой находится земной шар. За пределами этой сферы нет ничего – ни пространства, ни времени. Внутри этой сферы (т.е. во Вселенной) нет пустоты – все заполняет материя (первоматерия).  Материя (первоматерия) – это непрерывная, бесконечноделимая и сама по себе не имеющая определенных качеств, бесформенная субстанция. В подлунном мире: - первоэлементы (стихии): земля, вода, воздух и огонь образуются соединением материи с формами (простейшие из форм – теплое, холодное, сухое и влажное) - вещества (металлы, глина, кровь и др.) образуются соединением первоэлементов (стихий) - тела образуются из веществ

В надлунном мире все состоит из эфира. 3 этап (XVIII – XIX века) В механистической картине мира – независимыми началами мироздания являются вещественные тела, состоящие из мельчайших корпускул, и абсолютное пространство, в котором тела движутся по мере течения абсолютного времени В электромагнитной картине мира – материя состоит из вещества и непрерывного электромагнитного поля.  Эффект Доплера заключается в изменении длины волны излучения (или частоты волны), воспринимаемого приемником от источника, при их движении друг относительно друга. При удалении приемника от излучателя, воспринимаемая им длина волны увеличивается (частота уменьшается), а при сближении – уменьшается (частота увеличивается) по сравнению со случаем их взаимной неподвижности. Эффект лежит в основе измерения скорости движения различных объектов и широко используется в авиации, космической технике, в астрофизике. Эффект Доплера характерен для любых волн (свет, звук и т.д.). Обнаружение доплеровского «красного смещения» в спектрах излучения далеких галактик привело к выводу о расширении Вселенной. В первоначальной электромагнитной теории Максвелла считалось, что все мировое пространство заполнено легчайшей упругой средой – мировым эфиром, колебания которого и есть свет.

2)))Корпускулярная и континуальная концепции описания природы

Одним из наиболее важных вопросов как философии, так и естествознания является проблема материи. Представления о строении материи нашли свое выражение в борьбе двух концепций: прерывности (дискретности) материи – корпускулярная концепция, и непрерывности (континуальности) материи – континуальная концепция. С ними тесно связаны проблемы взаимодействия материальных объектов, которые проявляются как концепции близкодействия(передача действия от точки к точке) и дальнодействия (передача действия без физической среды).

Корпускулярная концепция опирается на идеи Демокрита, отождествившего пространство с пустотой и приписавшего пустоте индивидуальное существование. По Демокриту пространство есть то, что существует само по себе, независимо от материи и является "вместилищем" тел. Оно может быть заполнено телами, а может быть абсолютно пустым в виде особого реального объекта. Ньютон в своей механике эту идею развил до четкого представления об абсолютном пространстве и абсолютном времени, которые не зависят друг от друга и не связаны с материей. Ньютон разработал концепцию прерывности. Его подход основывался на признании дальнодействующих сил. В 1672-1676 годах он распространил атомистику на световые явления и создал корпускулярную теорию света. По своему мировоззрению Ньютон был вторым после Декарта великим представителем механистического материализма в естествознании XVII-XVIII веков. Декарт стремился построить общую картину природы, в которой все явления объяснялись как результат движения больших и малых частиц, образованных из единой материи. Недостатки механистической атомистики:

– отсутствие достоверного экспериментального материала;

– атомы рассматривались как частицы, лишенные возможности превращения;

– единственной формой движения принималось механическое движение.

Сложившиеся к началу XIX века представления о строении материи были односторонними и не давали возможности объяснить ряд экспериментальных фактов. Разработанная М. Фарадеем и Дж. Максвеллом в XIX веке теория электромагнитного поля показала, что признанная концепция не может быть единственной для объяснения структуры материи. В своих работах М. Фарадей и Дж. Максвелл показали, что поле – это самостоятельная физическая реальность. Таким образом, в науке произошла определенная переоценка основополагающих принципов, в результате которой обоснованное Ньютоном дальнодействие заменялось близкодействием, а вместо представлений о дискретности выдвигалась идея непрерывности, получившая свое выражение в электромагнитных полях, т.е. развитие получила континуальная концепция.

Двойственность описание природы особенно проявляется при рассмотрении пространственных и временных свойств материи. На эмпирическом уровне познания мира понятие пространства позволяет описывать порядок сосуществования материальных объектов по признакам "слева – справа", "дальше – ближе", "сверху – снизу", "больше по размерам – меньше". Понятие времени выражает порядок смены событий по признаку "раньше – позже". Пространство и время органически связаны с материей, не могут существовать самостоятельно, обособленно от нее. Основы такого взгляда заложил Аристотель и развил Г. В. Лейбниц (1646-1716). Дальнейшее углубление этого представления о пространстве и времени осуществил Эйнштейн в теории относительности.

В современной физике строго доказано, что пространство и время неразрывно связаны между собой, то есть составляют единое четырехмерное пространство-время и наш мир, следовательно, четырехмерен. Это доказательство осуществлено Эйнштейном в рамках специальной теории относительности. В общей теории относительности установлена количественная связь геометрических свойств (метрики) пространства-времени с материей. Вблизи тяготеющих масс пространство-время "искривляется" и уже не является привычным для нас используемым в классической физике (так называемым эвклидовым). Это представление о четырехмерном пространстве-времени эффективно "работает" в масштабах от размеров видимой Вселенной до размеров элементарных частиц.

Итак, по современным представлениям наш реальный мир четырехмерен: три измерения являются пространственными и одно – временным. Строго показано, что если бы наше геометрическое пространство имело больше 3-х измерений, то планеты, движущиеся вблизи Солнца, и электроны, движущиеся вблизи ядер атомов, не могли бы образовывать устойчивые планетарные и атомные системы. Тем не менее, современные теории, правильно отражающие закономерности в глубоком микромире и ранние стадии эволюции Вселенной, вынуждены оперировать многомерными пространствами. Однако "избыточные" измерения, сыграв свою роль при объяснении тех или иных свойств материи или определенных этапов ее эволюции, неизбежно выпадают из игры.

Установлено, что пространство и время обладают тремя фундаментальными свойствами (тремя видами симметрии):время однородно, а пространство однородно и изотропно. Изотропность пространства означает, что в любых направлениях его свойства абсолютно одинаковы, то есть пространство обладает симметрией относительно операции поворота. Однородность пространства (симметрия относительно операции сдвига, перемещения) означает абсолютную одинаковость свойств пространства в различных его точках. Аналогичная симметрия времени относительно "сдвига" (выбора момента начала отсчета времени) отражает одинаковость его свойств в прошлом, настоящем и будущем. Перечисленные свойства пространства и времени физически проявляются в одинаковости законов Природы, в различных направлениях во Вселенной, в различных ее местах и в различные моменты времени.

В соответствии с достижениями квантовой физики основополагающим понятием современного атомизма является понятие элементарной частицы, но им присущи такие свойства, которые не имели ничего общего с атомизмом древности, в частности, дуализм свойств. В 1900 г. М. Планк показал, что энергия излучения или поглощения электромагнитных волн не может иметь произвольные значения, а кратна энергии кванта, т.е. волновой процесс приобретает окраску дискретности. Идея Планка о дискретной природе света получили свое подтверждение в области фотоэффекта. Де Бройль открыл примерно в это же время у частиц волновые свойства (дифракция электрона). Таким образом, частицы неотделимы от создаваемых ими полей, и каждое поле вносит свой вклад в структуру частиц, обуславливая их свойства. В этой неразрывной связи частиц и полей можно видеть одно из наиболее важных проявлений единства прерывности и непрерывности в структуре материи. Для характеристики прерывного и непрерывного в структуре материи следует также упомянуть единство корпускулярных и волновых свойств всех частиц и фотонов. Единство корпускулярных и волновых свойств материальных объектов представляет собой одно из фундаментальных противоречий современной физики и конкретизируется в процессе дальнейшего познания микроявлений. Изучение процессов макромира показали, что прерывность и непрерывность существуют в виде единого взаимосвязанного процесса. При определенных условиях макромира микрообъект может трансформироваться в частицу или поле и проявлять соответствующие им свойства.

Вся обстановка в науке в начале XX века складывалась так, что представления о дискретности и непрерывности материи получили свое четкое выражение в двух видах материи: веществе и поле, различие между которыми явно фиксировалось на уровне явлений микромира. Однако дальнейшее развитие науки показало, что такое противопоставление является весьма условным. Было показано, что материя проявляет как непрерывные, так и корпускулярные свойства. Необходимо добавить, что представление о дискретности пространства-времени в современном естествознании все-таки существует, но оно применяется только в связи с объяснением самых ранних этапов эволюции Вселенной.

3)))))В современной физике различают три вида материи:

1. Вещество

2. Поле

3. Физический вакуум (экспериментально обнаружен в ускорителях в 50-х гг. XX)

Вещество – это любые материальные объекты, имеющие массу. Кроме массы может быть электрический заряд. Элементарные частицы (нейтрино имеют массу, 2002 год).

У вещества есть четыре агрегатных состояния:

1. Твердое

2. Жидкое

3. Газообразное

4. Плазма

Состояние материального объекта характеризуется физическими величинами, или параметрами состояния: координаты, энергия, температура, масса, спин, энтропия, состав.

Переход от одного состояния к другому есть движение материи.

Виды движения:

1. Механическое

2. Колебательное и волновое

3. Тепловое

4. Процессы переноса (диффузия, теплопроводность)

5. Фазовые переходы

6. Радиоактивный распад

7. Химические и ядерные реакции

8. Эволюция живых организмов

9. Метаболизм

Поле – особое состояние среды, в каждой точке которой заданы параметры, которые характеризуют состояние вещества и которые непрерывно и плавно меняются от точки к точке.

Поле является материальным фактором, который приводит к взаимодействию тел.\

В макромире поле противоположно веществу (не имеет массы, непрерывно и т.п.).

В микромире нет раздельно поля и вещества, там присутствует корпускулярно-волновой дуализм.

Физический вакуум – самое низшее энергетическое состояние квантового поля. Среднее число частиц в вакууме равно нулю. Там существуют виртуальные частицы со временем жизни t£10-18 с. Вакуум «кипит» этими частицами, но они обладают низкой энергией.

Физический вакуум в современной научной картине мира: область пространства, не содержащая реальных частиц, но в которой рождаются и исчезают виртуальные частицы, состояние поля, характеризующееся минимумом энергии и нулевыми колебаниями.

4))) В словаре Глоссарий.ру “ энергия  – это скалярная физическая величина, являющаяся единой мерой различных форм движения  материи  и мерой перехода движения  материи  из одних форм в другие”. (Здесь и далее подчеркивания в цитатах наши - И.К.). О том же говорит и БСЭ: “ Энергия  в природе не возникает из ничего и не исчезает; она только может переходить из одной формы в другую. “. В этих двух определениях речь идет только о формах движения и о формах  энергии . Но можно привести и примеры путаницы.  В метрологическом справочнике А.Чертова (1990) сказано так: “Различным  видам  движения и взаимодействия  материи  соответствуют разные  виды   энергии : механическая (кинетическая и потенциальная), внутренняя, электромагнитная, ядерная и др.”. Здесь речь идет уже о  видах  движения и видах   энергии . Для выяснения того, что тогда можно понимать под  видами   энергии , повторим обобщенное уравнение состояния (И.Коган, 1998) в  виде :

( 1 )

где dW – приращение полной  энергии системы;  i – номер элементарной формы движения;  n – количество элементарных форм движения в системе;  k – порядок производной по времени;  m – наивысший порядок производной по времени; q – обобщенная координата состояния системы.  Это уравнение включает в себя в виде выражения в скобках уравнение динамики, подробно рассмотренное на странице, посвященнойпереходным процессам. В уравнении динамики в современной физике речь идет о трех разных видах противодействий системы, соответствующих m = 3. При k = 0 речь идет о противодействии жесткости, при k = 1 − о диссипативном противодействии и при k= 2 − о противодействии инертности. Каждое из этих трех противодействий является функцией одной из трех составляющих энергии  i-ой формы движения: потенциальной  энергии ,  энергии  диссипации и кинетической энергии . Вот эти три составляющие и следует называть  видами   энергии . Всё это проиллюстрировано схемой, все термины которой подробно разъяснены на странице, посвященной классификации понятий, связанных с  энергией , в термодинамике.