Концепции современного естествознания. Ответы на экзаменационные вопросы

ной скоростью. Название этому принципу и формулировку дал Р. Клаузиус: невозможен процесс, при котором тепло переходило бы самопроизвольно от тел более холодных к телам более нагретым. В современной термодинамике второе начало термодинамики формулируется как закон возрастания энтропии. Энтропия – функция состояния, характеризующая направление протекания самопроизвольных процессов в замкнутой термодинамической системе. В состоянии равновесия энтропия замкнутой системы достигает максимума и никакие макроскопические процессы в такой системе невозможны. Максимальная энтропия соответствует полному хаосу.

Клаузиус на основе второго начала термодинамики утверждал, рано или поздно энтропия Вселенной должна достигнуть своего максимума, температура всех тел Вселенной будет одинаковой (полное тепловое равновесие). Все процессы во Вселенной прекратятся – наступит тепловая смерть Вселенной. Ошибочность такого вывода в том, что нельзя применять второе начало термодинамики к Вселенной, которая не замкнута, а постоянно расширяется – галактики разбегаются. Вселенная нестационарна.

Третье начало термодинамики (установлено В. Нернстом в 1906 году) утверждает, что при прочих фиксированных условиях, например, при неизменных объеме и давлении, энтропия системы стремится к нулю температуры. Из третьего начала термодинамики вытекает следствие: абсолютного нуля температуры нельзя достичь ни в каком конечном процессе. В 1920 году Нернсту была присуждена Нобелевская премия по физике.

2.7. Нанотехнологии

Нанотехнологии – это технологии, в основе которых лежат манипуляции на уровне отдельных атомов. «Нано» – приставка к выражениям единиц линейных размеров для создания производных этих единиц в системе СИ. Если 1 миллиметр (мм) означает одну тысячную долю метра (1 мм = 10–3 м), 1 микрон составляет одну миллионную долю метра (1 мкм = 10–6 м), то 1 нанометр составляет одну миллиардную долю метра (1 нм = 10–9 м). Ясно, что речь идет об исследовании микромира на принципиально новом уровне. Создается возможность манипулировать отдельны-

31

ми атомами и молекулами. Практически открывается возможность исследовать микроструктуру любого материала.

Один нанометр (1 нм) в 100 тысяч раз меньше диаметра человеческого волоса, который имеет диаметр 100 мкм. Размер в 1 нм сравним с размерами молекулы, а многие вирусы имеют размер около 10 нм. К нанотехнологиям относят процессы и объекты в пределах от 1 нм до 100 нм. Размером в 1 нм обладают отдельно взятые молекулы.

Развитие нанотехнологий как изготовление сверхмикроскопических конструкций идет по трем направлениям: изготовление наномашин размером с молекулу, электронных схем того же размера, изготовление приборов для непосредственной манипуляции атомами и молекулами. Нанотехнологии могут изменить среду обитания человека. Нанотехнологии носят междисциплинарный характер и в значительно большей мере, по сравнению с кибернетикой и синергетикой. При этом следует иметь в виду тот факт, что история нанотехнологий начинается с 1959 года. В 1980 г. в Японии был создан первый нановый транзистор, на основе которого созданы приборы, позволяющие исследовать движение отдельных атомов и молекул.

В 1990 году начала свою историю международная программа «Геном человека». В 1991 году в Японии объявлена программа «Атомная технология». Нанофильтры используются для получения в процессе очистки сверхчистой питьевой воды. При этом следует иметь в виду тот факт, что через 10 лет цена на питьевую воду может сравняться с ценой на нефть. В ближайшей перспективе нанотехнологии позволят создать1:

•нановолокна, состоящие из 60–70 молекул;

•нанозеркало для лазеров со сверхвысокой отражающей способностью;

•атомную иглу, которая позволит изучать рельеф поверхности на молекулярном уровне;

•нанороботы – манипуляторы для переноса отдельных молекул;

•наногенераторы электрического заряда внутри человеческого организма для электропитания имплантантов;

•сверхскоростной нано-Интернет с увеличением скорости в сотни раз;

1 Концепции современного естествознания. Под редакцией Л.А. Михайлова. СПб., 2008, с. 116.

32

•диагностику качества пищевых продуктов для выявления опасных загрязнителей;

•наногранулы для доставки лекарственного препарата прямо к рецептору;

•нанокод, т.е. молекулы антител, иммобилизованные на поверхности нанотел для индефикации чужеродных веществ по иммунной реакции;

•наночастицы косметического крема, проходящие через мембраны клеток кожи для клеточного питания дермы.

Исследования нанотехнологий постоянно расширяются

ив ближайшей перспективе займут ведущую роль.

2.8. Теория струн – направление математической физики

Теория струн изучает динамику не точечных частиц, а однородных протяженных объектов, так называемых квантовых струн1. Теория струн основана на гипотезе, что все элементарные частицы возникают в результате колебаний и взаимодействий ультрамикроскопических квантовых струн на масштабах порядка планковской длины 10–35 м. Такой взгляд приводит к более глубокому взгляду на структуру материи и пространства–времени2.

В рамках теории струн предполагается, что все во Вселенной составлено из микроскопических петель вибрирующих струн. Струны представляются как бесконечно тонкие, а длина их настолько мала, что можно считать их точечными. Вибрации этих струн рождают видимую материю и излучение. Элементарные частицы – колебания струн. Струна – это первичное творение в видимой Вселенной. Пространство–время в рамках данной теории считается одиннадцатимерным (10 пространственных измерений и одно временное). Считается, что струна может вибрировать различными способами, и каждый способ ее вибрации генерирует отдельную элементарную частицу. Масса частицы и характеристики ее взаимодействия определяются способом вибрации струны, «нотой», которая извлекается из струны.

1 См. Б.М. Барабашев, В.В. Нестеренко. Суперструны – новый подход

кединой теории фундаментальных взаимодействий. УФН, 1986, № 4. Грин М., Шварц Дж., Виттен Э. Теория суперструн. М., 1990.

2 А.Ю. Морозов Теория струн – что это такое? УФН, 1992, № 8.

33

Рис. 1. Диаграмма Фейнмана:

а – в стандартной модели; б – в теории струн

Чем больше частота, тем больше энергия, накопленная в колебании, и в соответствии с формулой Е = mc2 , тем больше масса частицы, в роли которой проявляет себя колеблющаяся струна в наблюдаемом мире.

Взаимодействие в микромире: диаграмма Фейнмана в стандартной модели и ее аналог в теории струн (рис. 1).

При построении теории струн различают подход первичного и вторичного квантования. Последний оперирует понятием струнного поля-функционала на пространстве петель, подобно квантовой теории поля. Подход первичного квантования связывает теорию струн с обычной теорией поля на мировой поверхности1.

Уровни строения мира:

1.Макроскопический уровень – вещество.

2.Молекулярный уровень.

3.Атомный уровень – протоны, нейтроны и электроны.

4.Субатомный уровень – электрон.

5.Субатомный уровень – кварки.

6.Струнный уровень.

Среди многих свойств теории струн особенно важны три. Во-первых, гравитация и квантовая механика являются неотъемлемыми принципами устройства Вселенной. В теории струн это реализуется. Во-вторых, признание существования и других ключевых идей для понимания Вселенной. В числе этих идей – спин, существование поколений частиц материи и частиц-переносчиков взаимодействия, калибровочная симметрия, принцип эквивалентности, нарушение симметрии и суперсимметрия. Все эти идеи вытекают из теории струн. В-третьих, в отличие от более общепринятых

1А. Ю. Морозов. Теория струн. Физическая энциклопедия. М., 1988,

Т.5.

34

Таблица 1

теорий, таких как стандартная модель с ее 19 свободными параметрами, в теории струн свободных параметров нет.

Теория струн нуждается в экспериментальной проверке, однако ни один из вариантов теории не дает однозначных предсказаний, которые можно было бы проверить в критическом эксперименте. Таким образом, теория струн находится пока в «зачаточной стадии»: она обладает множеством привлекательных математических особенностей и может стать чрезвычайно важной в понимании устройства Вселенной, но требуется дальнейшая разработка для того, чтобы принять ее или отвергнуть. Некоторые ученые сомневаются, заслуживает ли данная теория статуса научной.

35

Основные свойства теории струн:

1.Гравитация и квантовая механика являются неотъемлемыми принципами устройства Вселенной, и поэтому любой проект единой теории обязан включать и то, и другое. В теории струн это реализуется.

2.Исследования на протяжении ХХ века показали, что существуют и другие ключевые концепции (многие из которых были проверены экспериментально), являющиеся центральными для нашего понимания Вселенной. В их числе – спин, существование поколений частиц материи и час- тиц-переносчиков взаимодействия. Все это естественным образом вытекает из теории струн.

Интригующим предсказанием теории струн является многомерность Вселенной. Ни теория Максвелла, ни теория Эйнштейна не дают такого предсказания.

Теория струн нуждается в экспериментальной проверке, однако ни один из вариантов теории не дает однозначных предсказаний.

Струнная космология – относительно новая и интенсивно развивающаяся область теоретической физики.

Существует два основных пункта, в которых теория струн модифицирует стандартную космологическую модель. Во-первых, из теории струн вытекает, что Вселенная должна иметь минимально допустимый размер.

Во-вторых, число пространственно-временных измерений в теории струн больше четырех, поэтому космология должна описывать эволюцию всех этих измерений.

Изучение струнной космологии быстро становится областью активных и продуктивных исследований.

Теория струн – направление математической физики, изучающее динамику и взаимодействие не точечных частиц, а одномерных протяженных объектов, так называемых квантовых струн. Теория струн сочетает в себе идеи квантовой механики и теории относительности. На ее основе, возможно, будет построена будущая теория квантовой гравитации.

Разработка теории струн стимулировала развитие математических формализмов, в основном, алгебраической и дифференциальной геометрии, топологии. Развитие теории струн продолжается, и есть надежда, что недостающие элементы струнных теорий и соответствующие феномены будут найдены в ближайшем будущем, в том числе в результате экспериментов на Большом адронном коллайдере.

36

Тема 3 КОНЦЕПЦИИ ХИМИЧЕСКИХ НАУК

3.1. Основные понятия и законы химии

Химия – это наука о веществах и их превращениях. Химическое знание состоит из теорий, законов и закономерностей, которые подтверждены на практике. Химия относится к категории точных естественных наук. Она занимается явлениями природы, сопровождающими химические изменения вещества, изучает составные части вещества. Химический процесс связан с изменением состава веществ и их структуры. На молекулярном уровне химия изучает процессы воздействия на молекулы тепла, света, физических полей.

В историческом аспекте химия подразделяется на разделы: неорганическую и органическую. Неорганическая изучает химические элементы и образуемые ими простые и сложные вещества. Органическая своим предметом берет

органические вещества и их соединения с углеродом вплоть до сложнейших биополимерных композиций.

Неорганическая химия взаимосвязана с геохимией, минералогией и геологией. В неорганической химии широко применяются методы современной физики при исследовании закономерностей химических превращений (физическая химия). К этой области относят такие направления, как: химическая термодинамика, химическая кинетика, электрохимия, коллоидная химия, квантовая химия, радиационная химия, фотохимия и другие. Так, например, квантовая химия исследует природу химической связи, строения и реакционной способности молекул на основе представлений и методов квантовой механики.

Анализ макроскопических явлений на молекулярном уровне во многих случаях стирает грань между физическими и химическими процессами. Многие явления находятся на границе раздела. Современная химия весьма разнообразна как по объектам, так и по методам их исследования. Многие ее разделы представляют собой самостоятельные науки:

биохимия, биоорганическая химия, геохимия, радиационная химия, фотохимия и др.

Химия, как и любая другая естественная наука, состоит из теорий, законов и закономерностей, которые проверены на практике.

37

Основные законы химии:

•закон сохранения массы вещества. Масса всех веществ, вступивших в химическую реакцию, равна массе всех продуктов реакции. В результате химических реакций атомы не исчезают и не возникают. Общая масса остается неизменной. Это классический вариант. Изменение массы в соответствии с теорией относительности А. Эйнштейна (Е = mc2) не учитывается по той причине, что изменение массы крайне мало. Этот закон на основе количественного анализа дает возможность изучить состав вещества и определить характер протекания химических процессов. Рассматриваемый закон был открыт М.В. Ломоносовым (1748 г.) и А. Лавуазье (1789 г.) практически независимо друг от друга.

•закон постоянства состава. Впервые сформулирован

Ж.Прустом (1808 г.). Было установлено, что химические вещества имеют постоянный качественный состав и определенное химическое строение, независимо от способа получения. Теоретически закон постоянства состава обосновал Д. Дальтон (1803 г.) в законе кратных отношений: «Если два химических элемента дают несколько соединений, то весовые доли одного и того же элемента в этих соединениях, приходящихся на одну и ту же весовую долю второго элемента, относятся между собой как небольшие целые числа». Постоянство состава химических соединений обусловлено физической природой химических связей, объединяющих атомы в одну квантовомеханическую систему – молекулу.

Закон постоянства состава использовал Д. И. Менделеев при создании Периодической таблицы как наиболее выдающегося события в истории химии. Этот закон был установлен в 1869 году при сопоставлении свойств всех известных к тому времени элементов и величин атомных весов. В 1871 году Менделеев писал: «…свойства элементов, а потому и свойства образуемых ими простых и сложных тел, стоят в периодической зависимости от их атомного веса».

До Д. И. Менделеева предпринимались попытки систематизации химических элементов в зависимости от их свойств. Так, например, Деберейнер (1829 г.) объединил элементы в триады; Одлинг (1857 г.) 48 элементов объединил в единую систему из 13 групп сходных элементов; Ньюлендс и де Шаркунтуа (1863 г.) распределили 63 элемента в порядке возрастания их атомной массы, но все это не умаляет величия открытия русского ученого Д. И. Менделеева. Было предсказано существование 12 новых элементов.

38

Химический элемент – это вид атомов, характеризующийся определенной величиной положительного заряда ядра. Открытие закона постоянства состава, закона эквивалентов и закона кратных отношений окончательно утвердили в химии атомно-молекулярное учение, закон сохранения материи, периодический закон Д. И. Менделеева и теорию химического строения1.

Основные положения атомно-молекулярного учения:

1)вещества состоят из молекул; молекулы различных веществ отличаются между собой химическим составом, размерами, физическими и химическими свойствами;

2)молекулы находятся в непрерывном движении; между ними существует взаимное притяжение и отталкивание. Скорость движения молекул зависит от агрегатного состояния вещества;

3)при физических явлениях состав молекул остается неизменным, при химических – они претерпевают качественные и количественные изменения и из одних молекул образуются другие;

4)молекулы состоят из атомов. Атомы характеризуются определенными размерами и массой. Свойства атомов одного и того же элемента одинаковы и отличаются от свойств атомов других элементов.

Современная формулировка периодического закона Д.И. Менделеева: «Свойства химических элементов и их соединений находятся в периодической зависимости от зарядов ядер атомов элементов». Периодический закон является основанием рассматривать все элементы в их взаимной связи

ипрогнозировать свойства еще неизвестных элементов.

3.2. Типы химической связи

В природе химические элементы встречаются главным образом не в виде отдельных атомов, а в виде сложных или простых веществ. Атомы в свободном состоянии находятся лишь у гелия, неона, аргона, криптона и ксенона (инертные газы). Химические элементы объединяются в системы, называемые химическими соединениями. Химическая связь – это взаимодействие атомов, в результате которого

1 М.К. Гусейханов, О.Р. Раджабов. Концепции современного естествознания. М., 2007, с. 206–207.

39

образуются молекулы простых и сложных веществ, а также кристаллов1. Существует несколько типов химической связи – ковалентная, ионная, металлическая и водородная. Химическая связь представляет собой одно из физических взаимодействий – электромагнитное.

При образовании молекулы атомы стремятся к образованию устойчивой восьмиэлектронной или двухэлектронной оболочки (в зависимости от типа связи).

Ковалентной химической связью называется связь, которая образуется за счет взаимодействия электронов с противоположной ориентацией спинов, занимающих одну молекулярную орбиту. Метод молекулярных орбит в квантовой механике – это метод рассмотрения электронного строения молекулы, в основе которого лежит представление об образовании химических связей в результате движения всех электронов в поле ядер и электронов молекулы. Ковалентная связь может быть двух типов: обменной и донарно-акцепторной.

Ионная связь образуется за счет электростатического притяжения между разноименно заряженными ионами. Химические соединения, в которых осуществляется ионная связь, называются ионными. Все ионные соединения в твердом состоянии являются кристаллическими веществами. В зависимости от природы химической связи в кристалле различают несколько типов кристаллических решеток: ионные, атомные, молекулярные, металлические.

Металлическая связь – химическая связь в твердых телах, обладающих ярко выраженными металлическими свойствами. Металл можно представить как структуру, состоящую из атомов, расположенных в узлах кристаллической решетки. Большая подвижность связывающих электронов объясняет такие свойства металлов, как ковкость, теплопроводность, электропроводность. Металлическая связь обусловлена образованием электронами всех атомов вещества единого подвижного электронного облака. В ней принимают участие все атомы кристалла атома.

Водородная связь осуществляется за счет взаимодействия ковалентно связанного атома водорода с каким-либо атомом, относящимся к той же или иной молекуле. Одним из веществ, легко образующих этот тип связи, является вода. Водородная связь играет существенную роль в процес-

1 Н. Л. Глинка. Общая химия. Л., 1974, с. 115.

40