шпоры

23 От физики аристотеля к физике ньютона.Построение целостной астрономической картины мира - геоцентрической системы Аристотеля-Птоломея исходило из того, что непосредственно наблюдаемые перемещения небесных светил есть их действительные перемещения. Отсюда был сделан вывод о центральном положении Земли во Вселенной.А р и с т о т е л ь  (384-322 до н. э.)Космология Аристотеля при всех достижениях (сведение всей суммы видимых небесных явлений и движений светил в стройную теорию) в некоторых частях была отсталой в сравнении с космологией Демокрита и пифагоризма. Влияние геоцентрической космологии Аристотеля сохранялось вплоть до Коперника. Аристотель руководствовался планетной теорией Евдокса Книдского, но приписал планетным сферам  реальное физическое существование: Вселенная состоит из ряда концентрических сфер, движущихся с различными скоростями и приводимых в движение крайней сферой неподвижных звезд. «Подлунный» мир, то есть область между орбитой Луны и центром Земли, есть область беспорядочных   неравномерных движений, а все тела в этой области состоят из четырех низших элементов: земли, воды, воздуха и огня. Земля, как наиболее тяжелый элемент, занимает центральное место, над ней последовательно располагаются оболочки воды, воздуха и огня. «Надлунный» мир , то есть область между орбитой Луны и крайней  сферой неподвижных звезд, есть область вечноравномерных движений, а сами звезды состоят из пятого - совершеннейшего элемента - эфира[2].Птоломей  (2 век до н. э.) - древнегреческий ученый. Разработал так называемую геоцентрическую систему мира, согласно которой все видимые движения небесных светил объяснялись их  движением вокруг неподвижной Земли. Основное сочинение Птоломея по астрономии - «Великое материальное построение  астрономии в 13 книгах» или «Альмагест» на арабском. В «Альмагесте»впервые законы видимых движений небесных тел были установлены настолько, что стало возможным предвычислять их положение.Система Аристотеля - Птоломея верно отразила некоторые особенности Земли как небесного тела: то, что Земля - шар, что все тяготеет к ее центру. Таким образом это было учение собственно о Земле. На уровне своего времени она отвечала основным требованиям, которые предъявлялись к научному знанию. Во-первых, она с единой точки зрения объясняла наблюдаемые перемещения небесных тел и, во-вторых, давала возможность предвычислять их будущие положения. В то же время нельзя не отметить, что теоретические построения древних греков носили чисто умозрительный характер - они были совершенно оторваны от эксперимента.Известно, что геоцентрическая система Аристотеля - Птоломея просуществовала вплоть до ХVI столетия, до появления гелиоцентрического учения Коперника. Это учение явилось величайшей революцией в естествознании, положившей начало развитию науки в ее современном понимании. Развитие естествознания, труды Коперника, Галилея, Ньютона убедительно показали несостоятельность геоцентризма. Коперник показал, что за видимыми движениями небесных светил скрывается совсем иное явление - обращение Земли вокруг Солнца, то есть мир не таков, каким мы его непосредственно наблюдаем. Коперниковская революция в естествознании утвердила важнейший принцип: необходимо искать подлинную сущность вещей, скрытую  за их внешней видимостью.К о п е р н и к  (1473-1543 до н. э.)  -  создатель гелиоцентристской системы мира. Начал с попыток усовершенствовать геоцентрическую систему мира, изложенную в «Альмагесте» Птоломея. Многочисленные работы в этом направлении сводились к более точному определению элементов тех диферентов и эпициклов, посредством которых Птоломей представил движения небесных тел. Коперник, поняв зависимость между видимыми движениями планет и Солнца, хорошо известную еще Птоломею, на этой основе построил гелиоцентрическую систему мира. Благодаря ей правильное объяснение получил ряд непонятных ранее закономерностей движения планет. Таблицы, составленные Коперником, нашли большое  значение в развитии мореплавания. Результаты труда были обобщены Коперником в сочинении «Об обращении небесных сфер». Здесь он сохраняет представление о конечной Вселенной, ограниченной сферой неподвижных звезд. Философское значение гелиоцентрической системы состояло в том, что Земля, считавшаяся раньше центром мира, низводилась до положения одной из планет. Возникла новая идея - идея о единстве мира, о том, что «небо» и«земля» подчиняются одним и тем же законам. Революционный характер взглядов Коперника был понят католической церковью лишь после того, как Галилей и другие развили философские следствия его учения. В 1619 году  декретом инквизиции книга Коперника «впредь до исправления» была внесена в «Индекс запрещенных книг» и оставалась под запретом до 1828 года.Гелиоцентрическая система Коперника сама отнюдь не явилась окончательным решением вопроса о мироздании. В процессе  дальнейшего развития она в качестве составной части вошла сначала в систему Гершеля о Галактике, а затем в систему о расширяющейся Метагалактикие. Система Коперника явилась описанием Солнечной системы, система Гершеля - нашей Галактики.

Учение Коперника получило свое дальнейшее обоснование в экспериментальной физике Галилея, завершившейся созданием ньютоновской механики, объединившей едиными законами движения перемещение небесных тел и земных объектов.Г а л и л е й  (1564-1642) 

Физика Аристотеля показалась Галилею неубедительной, и Галилей стал убежденным последователем Коперника. На основании сведений об изобретенной в Голландии зрительной трубе Галилей строит свой первый трехкратный телескоп, затем усовершенствует его до 32-кратного, делает при помощи его  ряд открытий (колоссальную удаленность звезд, 4 спутника у Юпитера, вращение Солнца, солнечные пятна, фазы Венеры, распад Млечного пути на звезды, изучает движение спутников Юпитера).Галилей считал, что мир бесконечен, а материя вечна. Во всех процессах ничто не уничтожается и не порождается - происходит лишь изменение взаимного расположения тел или их частей. Материя состоит из абсолютно неделимых атомов, ее движение - единственное, универсальное механическое перемещение. Небесные светила подобны Земле и подчиняются  единым законам механики.Галилей написал  книгу «Диалог о двух главнейших системах мира», в которой системы Коперника и Птоломея представлены в разговорах трех собеседников. Книга вышла под названием «Диалог о приливах и отливах». По требованию инквизиции он был вынужден отречься от учения Коперника и 9 лет считался узником инквизиции с запретом разговоров о движении Земли и печатания трудов. Но в 1638 году в Голландии появляется перевод его «Диалога» [2].К е п л е р  (1571-1630)Вся жизнь Кеплера была посвящена обоснованию и развитию гелиоцентрического учения Коперника. Важнейшим аргументом в пользу центрального положения Солнца являются три закона Кеплера, положившие конец прежнему представлению о равномерных круговых движениях небесных тел. Солнце, занимая один из фокусов эллиптической орбиты планеты, является, по Кеплеру,источником силы, движущей планеты. Законы Кеплера, навсегда вошедшие в основу теоретической астрономии, получили объяснение в механике Ньютона, в частности в законе всемирного тяготения.Уже сам Кеплер рассуждал о «тяжести», действующей между небесными телами, и объяснил приливы и отливы земных океанов воздействием Луны [2].Д е к а р т  (1596-1650)Основная черта философского мировоззрения Декарта - дуализм души и тела, «мыслящей» и «протяженной» субстанции. Отождествляя материю с протяжением, Декарт понимает ее не столько как вещество физики, сколько как пространство стереометрии. В противоположность средневековым представлениям о конечности мира и качественных разнообразий природных явлений Декарт утверждает,что мировая материя (пространство) беспредельна и однородна, она не имеет пустот и делима до бесконечности (это противоречило идеям возрожденной во времена Декарта античной атомистики,которая мыслила мир состоящим из неделимых частиц, разделенных пустотами). Каждую частицу материи Декарт рассматривает как инертную и пассивную массу. Движения, которые Декарт сводил к перемещениям тел, возникает всегда только в результате толчка, сообщаемого данному телу другим телом. Общей же причиной движения в дуалистической концепции Декарта является бог [2].

Г ю й г е н с  (1629-1695) - нидерландский механик, физик и математик проделал цикл оптических работ, который завершил «Трактатом о свете», в которой впервые изложил и применил к объяснению оптических явлений волновую теорию света. К «Трактату о свете» он добавил в виде приложения рассуждение «О причинах тяжести», в котором он близко подошел к открытию закона всемирного тяготения. В своем последнем трактате «Космотеорос» (1698), опубликованном посмертно, Гюйгенс основывается на теории о множественности миров и их обитаемости. В 1717 году трактат был переведен на русский язык по приказанию Петра I [2] .Г у к  (1635-1703) - английский естествоиспытатель, предвосхитил закон всемирного тяготения Ньютона. D 1679 году он высказал мнение, что если сила притяжения обратно пропорциональна квадрату расстояния, то планета должна двигаться по эллипсу. Гук придерживался волновой теории света и оспаривал корпускулярную, теплоту считал результатом движения частиц вещества. Н ь ю т о н  (1643-1727)

Вершиной научного творчества Ньютона являются «Начала», в которых Ньютон обобщил результаты, полученные его предшественниками и свои собственные исследования и создал впервые единую стройную систему земной и небесной механики, которая легла в основу всей классической физики. Здесь Ньютон дал определения исходных понятий - количества материи, эквивалентного массе,плотности; количества движения, эквивалентного импульсу, и различных видов силы. Формулируя понятие количества материи, Ньютон исходил из представления о том, что атомы состоят из некой единой первичной материи; плотность Ньютон понимал как степень заполнения единицы объема тела первичной материей.Ньютон рассматривал движение тел под действием центральных сил и доказал, что траекториями таких движений являются конические сечения (эллипс, гипербола, парабола). Он изложил свое учение о всемирном тяготении, сделал заключение, что все планеты притягиваются к Солнцу, а спутники - к планетам с силой, обратно пропорциональной квадрату расстояния и разработал теорию движения небесных тел. Ньютон показал, что из закона  всемирного тяготения вытекают законы Кеплера и важнейшие отступления от них. Кеплер, изучая движение планет Солнечной системы,сформулировал свои знаменитые простые законы. Простые потому, что все многообразие движений всех планет свелось к трем арифметическим соотношениям. Но возник вопрос: откуда взялись эти соотношения? Ответ на этот вопрос дал Ньютон созданием ньютоновской механики и формулировкой закона всемирного тяготения. Если бы результатом деятельности Ньютона было только объяснение законов Кеплера, то, по существу, никакого упрощения не произошло бы. Три закона заменились бы одним, из которого они весьма сложно выводятся. Но механика Ньютона объясняла ограниченное количество явлений для механической картины Вселенной. Так он объяснил особенности движения Луны, рассмотрел задачи притяжения сплошных масс, теории приливов и отливов, предложил теорию фигуры Земли [2].Ньютоновская механика получила название классической. Со временем она не только не утратила своего значения, но стала, если можно так выразиться, достовернее. Последующее развитие физики выявило пределы применимости механики Ньютона

24. Законы динамики и детерминизма Лапласа.Детерминизм (предсказуемость) — это учение о всеобщей обусловленности объективных явлений. В основе учения лежит универсальная взаимосвязь всех явлений материального и духовного мира.Впервые учение обосновано П. С. Лапласом следующими постулатами:

1. Всякое состояние Вселенной является причиной ее последующего состояния и однозначным следствием предшествующего.

2. Если бы существовал всеобъемлющий ум, который в едином мысленном акте смог бы охватить все силы, действующие в данный момент во Вселенной, координаты всех материальных частиц, то он смог бы, исходя из полного знания настоящего состояния Вселенной, однозначно описать ее прошлое состояние и предсказать будущее в любой момент времени.

Предпосылкой лапласовского вывода был взгляд на мир как замкнутую систему, поведение которой можно, зная исходные условия, однозначно определить в любой момент времени.Главный недостаток лапласовского, как и любого другого механистического детерминизма состоит прежде всего в том, что он представляет мир, Вселенную как систему, полностью детерминированную исключительно законами механики. В таком мире не было бы ничего неопределенного и случайного. В связи с этим сама случайность, по существу, исключается из явлений природы и общества.Классическая динамика основана на 3-х основных законах Ньютона:

1. Существуют такие системы отсчета, относительно которых поступательно движущееся тело сохраняет свою скорость постоянной, если на него не действуют другие тела или их действие скомпенсировано.

2. В инерциальной системе отсчета сумма всех сил, действующих на тело, равна произведению массы этого тела на векторное ускорение этого же тела (действие на тело силы, проявляется в сообщении ему ускорения).

, где a— ускорение тела,F — сила, приложенная к телу, а m — масса тела.

3. Тела действуют друг на друга силами равными по модулю и противоположными по направлению (действию всегда есть равное и противоположное противодействие).

25. Конвергенция естественнонаучного и гуманитарного знания. Границы «умопостижения» в диалоге физиков и лириков.Взаимосвязь гуманитарных и естественных наук:

1. Влияние естественных наук на гуманитарные.

• развитие естествознания создает новые концепции;

• естествознание создает новые средства и новую реальность для художественного творчества;

• естествознание влияет на тематику гуманитарных дисциплин.

2. Влияние гуманитарных наук на естественные (писатели-фантасты).

Лидирующее место в культуре нашей эпохи, бесспорно, занимает наука. Научный метод, рожденный естествознанием, последние сто лет доминирует в духовном мире, проникая даже в науки о человеке и обществе. Ему мы обязаны триумфом техногенной цивилизации, приведшей не только к быстрому развитию экономической и социальной сфер общества, но и вызванный глобальный экономический кризис, отчуждение человека от природы, все большую дегуманизацию общества. Причины негативных явлений глубоки, и одна из них в том, что сегодня мы должны признать существование двух культур, обладающих разными языками, критериями и ценностями: культуры естествознания с доминантой научного метода, включающей науки о природе, технику и т. п., и культуры гуманитарной, включающей искусство, литературу, науки об обществе и внутреннем мире человека.

Сегодня становится очевидным необходимость привнесения в сферу науки нравственных, этических и даже эстетических категорий.

В последнее десятилетие синтез гуманитарных и естественных наук начался спонтанно в силу логики развития самой науки, интеграции ее дисциплин, рассмотрения все более сложных систем в физике, химии, биологии, приближающихся по сложности поведения к живым организмам или их сообществам, моделирующим, как оказалось, также социальные и психические феномены. Кроме того, сейчас осознана принципиальная неустранимость роли человека как наблюдателя и интерпретатора эксперимента, т.е. актуален лишь целостный подход: природа и человек.Можно говорить о возникновении некого единого метаязыка естественника и гуманитария. Намечается понимание и встречное движение двух культур, возврат к единству на новом уровне осознания мира.

Этот процесс надо сознательно развивать, что приведет не только к примирению, но и взаимообогащению двух культур, так как одна представляет рациональный способ постижения мира, другая - диалектически дополненный - интуитивный, ассоциативно-образный.

26. Гармония в естествознании: принцип целостности; принцип дополнительности; принципы симметрии и законы сохранения.

Гармо́ния (др.-греч. — связь, порядок; строй, лад; слаженность, соразмерность, стройность) – это стройность и соизмеримость частей целого.

ПРИНЦИП ЦЕЛОСТНОСТИ И САМОДОСТАТОЧНОСТИ.Подход к понятию целостности, как к системе, обладающей внешней или внутренней двойственностью,  выводит само понятие целостности из категории чисто философской, в категорию естественно - научную. Пока в системе существует двойственность, существует и сама система как целое, в рамках заданной двойственности. Нет целостности - нет системы. При разрушении система распадается на отдельные подсистемы, которые, обретая «независимость», могут снова стать целостными системами.  Но могут и не стать. В этом случае они будут зависимыми ("марионетками") от других систем или подсистем, являясь их частью.

Целостность любой системы определяется ее главным звеном - двойственным отношением, развернутым в "4-х мерные весы" закона сохранения симметрии (взаимодополнительности).

                                                                           

Из этого тождества следует, что каждое из 4-х значений в этом тождестве является триединым.

                                                      

      Эти тождества несут в себе сокровенный смысл понятия "самодостаточность", смысл которого сегодня  многие люди "заболтали", используя его по поводу и без повода.  Самодостаточность является практически синонимом понятия целостности системы и определяет нижнюю минимальную границу целостности системы. Самодостаточные системы обладают свойствами независимости исполнения своих внутренних функций от внешних воздействий, за исключением одной или нескольких «избранных» системой для этой цели ее оболочек, являющихся ответственными за такое взаимодействие. Если граница целостности будет меньше требуемой для самодостаточности, то система не будет целостной и будет практически представлять собой только часть некоторой самостоятельной подсистемы (системы).Из приведенных выше тождеств следует вывод, что самодостаточность может иметь и имеет свои количественные характеристики. При этом чаще всего используется пропорция 2/3:1/3, что означает, что любая система будет самодостаточной, если из всей совокупности целевых функций системы 2/3 из них система реализует полностью самостоятельно. Нетрудно осознать, что оценка 2/3 несет в себе отпечаток "золотой пропорции" (0, 618...), в соответствии с которой строится гармония мироздания.Так в социальных системах, при принятии ответственных решений используется квалифицированное большинство голосов - 2/3. Эта же пропорция характеризует в целом и независимость любого государства от влияния иных культур, иностранных капиталов, материальных и духовных ценностей.Тенденции развития человечества свидетельствуют о том, что современные страны и государства переплетены между собой сложнейшей системой экономических, политических, социальных и множества других взаимосвязей. Поэтому они взаимозависимы друг от друга.  Поэтому они не могут быть полностью независимы друг от друга.  Они могут быть только самодостаточными.       Эта же пропорция характеризует и деятельность центральной нервной системы, в которой 1/3 приходится на условные рефлексы и 2/3 - на безусловные рефлексы. Cознание человека, характеризующего его самодостаточность, на 2/3 определяется его подсознанием.  Физики могут вспомнить, что в кварках также отражается  "зарядовая" самодостаточность (кварковая  триада "+2/3,-1/3,-1/3).Для самодостаточности экономических систем необходимо, чтобы потребность в ресурсах на 2/3 реализовывалась за счет внутренних ресурсов (самофинансирование, самоокупаемость,...). Подобные примеры самодостаточности систем можно продолжать до бесконечности.

ПРИНЦИП ДОПОЛНИТЕЛЬНОСТИ. Принцип дополнительности был сформулирован датским физиком Н. Бором в 1927 г. Это принципиальное положение квантовой механики, согласно которому получение информации об одних физических величинах, описывающих микрообъект, неизбежно связано с потерей информации о некоторых других величинах, дополнительных к первым. Такими взаимно дополнительными величинами являются, например, координата частицы и ее скорость (импульс) (принцип неопределенности — см. ТЕМУ 6.5). В общем случае дополнительными друг к другу являются, например, направление и величина момента количества движения, кинетическая и потенциальная энергия, напряженность электрического поля в данной точке и число фотонов и т.д. С точки зрения этого принципа, состояния, в которых взаимно дополнительные величины имели бы одновременно точно определенное значение, принципиально невозможны, причем если одна из таких величин определена точно, то значение другой полностью неопределенно. Таким образом, принцип дополнительности фактически отражает объективные свойства квантовых систем, не связанных с существованием наблюдателя.ПРИНЦИПЫ СИММЕТРИИ. Принципы симметрии делятся на пространственно-временные (геометрические или внешние) и внутренние, описывающие свойства элементарных частиц.Основная характерная черта физических законов — то, что они основаны на симметриях. Симметричным является объект, который в результате определенных изменений или преобразований остается неизменным, инвариантным. Инвариантность — это неизменность какой-либо величины при изменении физических условий или по отношению к некоторым преобразованиям, т.е. способность не изменяться при преобразованиях.В структуре фундаментальных физических теорий, которые охватывают все процессы, все формы движения материи, существуют более общие законы — законы симметрии и инвариантности и связанные с ними законы сохранения.Законы сохранения физических величин — это утверждения, согласно которым численные значения некоторых величин не изменяются со временем в любых процессах или определенных классах процессов. Значение: на них можно опираться при построении фундаментальных физических теорий, они демонстрируют единство материального мира.Законы физики можно преобразовывать так, что при этом их структура остается неизменной, симметричной. Принципы симметрии долгое время существовали в неявном виде.Лишь после появления теории относительности Эйнштейна и осознания того факта, что она есть не что иное, как теория инвариантов четырехмерного пространственно-временного континуума, или один из аспектов теории симметрии, стали обращать внимание на то, что все физические законы основаны на симметрии.Пространственно-временные принципы симметрии.Симметрия в физике — это свойство физических законов, детально описывающих поведение системы, оставаться неизменными (инвариантными) при определенных преобразованиях, которым могут быть подвергнуты входящие в них величины.Изотропность — это одинаковость свойств физических объектов в разных направлениях. Изотропность и однородность пространства как простейшие виды симметрии появились уже на заре человеческого познания.Среди пространственно-временных принципов симметрии можно выделить следующие:

• Сдвиг системы отсчета не меняет физических законов, т.е. все точки пространства равноправны. Это означает однородность пространства.

• Поворот системы отсчета пространственных координат оставляет физические законы неизменными, т.е. все свойства пространства одинаковы по всем направлениям, иными словами пространство — изотропно. Например, свойства палки не меняются, если ее переворачивать в воздухе. А вот свойства корабля значительно изменятся, если он перевернется в воде, так как на границе раздела воды и воздуха свойства пространства разные. Таким образом, симметрия пространства означает, что в пространстве действия физических законов нет выделенных точек и направлений или что оно однородно.

• Сдвиг во времени не меняет физических законов, т.е. все моменты времени объективно равноправны. Время однородно. Это означает, что можно любой момент времени взять за начало отсчета. Этот принцип означает закон сохранения энергии, который основан на симметрии относительно сдвигов во времени. Период колебаний маятника «ходиков» не изменится, если отсчитать его в полдень или в полночь, т.е. законы физики не зависят от выбора начала отсчета времени.

• Законы природы одинаковы во всех инерциальных системах отсчета. Этот принцип относительности является основным постулатом специальной теории относительности (СТО) Эйнштейна. В соответствии с принципом симметрии можно произвести переход в другую систему отсчета, движущуюся относительно данной системы с постоянной по величине и направлению скорости. Например, можно перейти из вагона поезда в машину, если уравнять их скорости.

• Зеркальная симметрия природы — отражение пространства в зеркале — не меняет физических законов.

• Фундаментальные физические законы не меняются при обращении знака времени. Необратимость, сушествующая в макромире, имеет статистическое происхождение и связана с неравновесным состоянием Вселенной.

• Замена всех частиц на античастицы не влияет на физические законы, не меняет характера процессов природы.

В современной физике обнаружена определенная иерархия законов симметрии: одни выполняются при любых взаимодействиях, другие же — только при сильных и электромагнитных. Эта иерархия отчетливо проявляется во внутренних симметриях.Внутренние принципы симметрии.Внутренние принципы симметрии действуют в микромире. В релятивистской квантовой теории предполагается взаимное превращение элементарных частиц:

• При всех превращениях элементарных частиц сумма электрических зарядов частиц остается неизменной, т.е. до и после превращения сумма зарядов частиц должна остаться неизменной.

• Барионный или ядерный заряд остается постоянным.

• Лептонный заряд сохраняется.

Теория взаимодействия элементарных частиц развивается успешно. Начало этому было положено принципами симметрии.