72.Гравитационное взаимодействие

Это  взаимодействие  носит универсальный характер, в нем участвуют все виды материи, все объекты  природы , все элементарные частицы! Общепринятой классической (не квантовой) теорией гравитационного  взаимодействия  является эйнштейновская общая теория относительности. Гравитация определяет движение планет в звездных системах, играет важную роль в процессах, протекающих в звездах, управляет эволюцией Вселенной, в земных условиях проявляет себя как сила взаимного притяжения.

Слабое взаимодействие 

Это  взаимодействие  является наиболее слабым из  фундаментальных   взаимодействий , экспериментально наблюдаемых в распадах элементарных частиц, где принципиально существенными являются квантовые эффекты. Слабое взаимодействие выделяется с помощью следующего правила: если в процессе взаимодействия участвует элементарная частица, называемая нейтрино (или антинейтрино), то данное взаимодействие является слабым.

Электромагнитное взаимодействие

    В электромагнитном взаимодействии участвуют все заряженные тела, все заряженные элементарные частицы. В этом смысле оно достаточно универсально. Классической теорией электромагнитного взаимодействия является максвелловская электродинамика. В качестве константы связи принимается заряд электрона e.

Сильное взаимодействие

    Сильное взаимодействие ответственно за устойчивость атомных ядер. Поскольку атомные ядра большинства химических элементов стабильны, то ясно, что взаимодействие, которое удерживает их от распада, должно быть достаточно сильным.

Характерной чертой сильного взаимодействия является его зарядовая независимость. Ядерные силы притяжения между протонами, между нейтронами и между протоном и нейтроном по существу одинаковы

73.а) движение спутника по орбите - гравитационное взаимодействие

б) деление клетки организма – электромагнитное взаимодействие

в) излучение энергии звездами- сильное и слабое взаимодействие

74. Материя  неисчерпаема по своей структуре, но  на   разных  структурных  уровнях   проявляются  различные формы движения и законы  взаимодействия . Они отражаются в дифференцирующих­ся физических теориях, каждая из которых несводима к другим теориям и имеет определенные границы применимости. Вместе с тем между различными структурными  уровнями  существует тес­ная взаимосвязь и обусловленность,  проявляющаяся  во взаимной превращаемости различных форм  материи  и движения, наличии общих атрибутов, законов сохранения и движения. Это единство физика пытается отразить через разработку единой теории раз­личных элементарных частиц и полей.

75.В чем сущность концепции дальнодействия и близкодействия?

Дальноде́йствие и Короткоде́йствие (Близкодействие) - две концепции классической физики, противоборствовавшие на заре её становления.

Согласно концепции (теории) дальнодействия, тела действуют друг на друга без посредников, через пустоту, на любом расстоянии, и такое взаимодействие осуществляется с бесконечно большой скоростью (но подчиняется определённым законам). Примером дальнодействия можно считать силу всемирного тяготения в классической теории гравитации Ньютона. Согласно концепции короткодействия (близкодействия), тело может действовать только на своё непосредственное окружение, а всякое действие на расстоянии должно осуществляться при помощи тех или иных посредников.

Важным отличием теории близкодействия от теории дальнодействия является наличие максимальной скорости распространения взаимодействий (полей, частиц) - скорости света.

78.С чем связаны приливные эффекты на Земле?

Одним из неприятных эффектов , которые испытывает на себе наш астронавт, приближаясь к дыре, будет воздействие приливных сил. Приливные силы возникают в результате разности гравитационного воздействия на различные точки одного и того же протяженного тела. Стоя на поверхности Земли , мы подвергаемся воздействию приливных эффектов , вызываемых самой нашей планетой. Если человек стоит прямо, то его ноги оказываются ближе к центру Земли , чем голова, и, следовательно, испытывают большую силу гравитационного притяжения. Правда, эти эффекты чрезвычайно малы, так что мы не только не замечаем их, но и не можем измерить без специальных сверхчувствительных приборов.

79.Что понимают под термодинамической системой?К какой термодинамической системе относится живой организм?Вселенная?

Термодинамическая система - это некая физическая система, состоящая из большого количества частиц, способная обмениваться с окружающей средой энергией и веществом.

Открытые системы, термодинамические системы, которые обмениваются с окружающей средой веществом (а также энергией и импульсом). К наиболее важному типу О. с. относятся химические системы, в которых непрерывно протекают химические реакции, происходит поступление реагирующих веществ извне, а продукты реакций отводятся. Биологические системы, живые организмы можно также рассматривать как открытые химические системы. Такой подход к живым организмам позволяет исследовать процессы их развития и жизнедеятельности на основе законов термодинамики неравновесных процессов, физической и химической кинетики.

Если рассматривать часть Вселенной, которой принадлежит наша планета, как совокупность физических объектов, образующих замкнутую систему, то согласно обычной термодинамике она неизбежно должна прийти в состояние теплового равновесия, в котором все тела имеют одинаковую температуру; процессов переноса тепла от более нагретых тел к менее нагретым не существует - возникает состояние «тепловой смерти». В открытой системе заключение о неизбежной тепловой смерти системы неправомерно - в такой системе происходит бесконечный теплообмен с окружающей средой. Кроме того, в системах, бесконечных в пространстве и времени, к которым относится наша Вселенная, нельзя исключить возникновения процессов, которые имеют малую вероятность и не могут происходить в замкнутых системах.

80.Что характеризует энтропия?

Понятие энтропии является многозначным, невозможно дать ему единственное точное определение. Наиболее общим же является следующее:

Энтропия - мера неопределенности, мера хаоса.

В зависимости от области знания, выделяют множество видов энтропии : термодинамическая энтропия , информационная ( энтропия Шеннона), культурная, энтропия Гиббса, энтропия Клаузиуса и многие другие.

Энтропия Шеннона количественно характеризует достоверность передаваемого сигнала и используется для расчета количества информации.

Энтропия характеризует недостающую информацию. Энтропия это мера неопределенности случайного объекта.

81.Как происходит эволюция в закрытых системах?

В результате протекания процессов в изолированных системах сами системы переходят в состояние равновесия, которое соответствует максимальному беспорядку системы равновесный тепловой хаос. Таким образом, самоорганизация, или эволюция в случае замкнутой системы приводит ее в состояние максимального беспорядка. В реальности, тем не менее, часто наблюдаются совершенно противоположные явления.

82.Как с позиции термоденамики объяснить самопроизвольный процесс испарения воды?

Для получения полезной работы в данном случае используется естественный процесс испарения воды с поверхности Земли и последующей её конденсации в атмосфере. Хотя этот природный процесс кругооборота воды и происходит непрерывно, для его поддержания необходим постоянный приток энергии от Солнца. Поэтому, если в термодинамическую систему кроме гидроэлектростанции и атмосферы Земли включить ещё и Солнце, то для такой расширенной термодинамической системы второе начало термодинамики будет выполняться.

83.Может ли Вселенная перейти в состояние "тепловой смерти"?

Теория тепловой смерти Вселенной базируется на втором начале термодинамики - росте энтропии в замкнутых системах. Все виды энергии во Вселенной необратимо превращаются в теплоту, которая, в свою очередь, передается от более нагретых к менее нагретым телам. В результате температура всех тел во Вселенной выравнивается на низком уровне, что и означает ее тепловую смерть. Однако этого не происходит и не произойдет.

Первые воззражения против всеобщей тепловой смерти во Вселенной дал австрийский физик Л. Больцман. Больцман рассмотрел Вселенную как механическую систему, состоящую из неизмеримо большого числа частиц и существующую неизмеримо долго. По теории Больцмана кроме ситуации полного равновесия возможны случаи, когда в отдельных областях системы возникают неравновесные состояния. Такие вспышки жизни возникают в различных областях Вселенной и в разное время.

Другие ученые, например Н.А. Козырев, опровергают тепловую смерть Вселенной теорией активного времени.

Наиболее взвешенный взгляд дает понимание того, что черные дыры и звезды служат в нашей Вселенной источником перекачки материи и энергии (из/в гиперпространство), что определяет ее в целом как открытую систему, в которой не выполняется второе начало термодинамики.

Возражения против тепловой смерти Вселенной есть даже в классической общей теории относительности. ОТО запрещает распространение на Вселенную второго начала термодинамики без учёта гравитации.

84.Опишите самоорганизацию в открытых системах.

Открытая система должна находиться достаточно далеко от точки термодинамического равновесия. Если система находится в точке равновесия, то она обладает максимальной энтропией и потому не способна к какой-либо организации: в этом положении достигается максимум её самодезорганизации. Если же система расположена вблизи или недалеко от точки равновесия, то со временем она приблизится к ней и в конце концов придёт в состояние полной дезорганизации.

Если упорядочивающим принципом для изолированных систем является эволюция в сторону увеличения их энтропии или усиления их беспорядка (принцип Больцмана), то фундаментальным принципом самоорганизации служит, напротив, возникновение и усиление порядка через флуктуации. Такие флуктуации, или случайные отклонения системы от некоторого среднего положения, в самом начале подавляются и ликвидируются системой. Однако в открытых системах благодаря усилению неравновесия эти отклонения со временем возрастают и в конце концов приводят к «расшатыванию» прежнего порядка и возникновению нового. Этот процесс обычно характеризуют как принцип организования порядка через флуктуации. Поскольку флуктуации носят случайный характер ( а именно с них начинается возникновение нового порядка и структуры) то становится ясным, что появление нового в мире всегда связано с действием случайных факторов.

В отличие от принципа отрицательной обратной связи, на котором основывается управление и сохранение динамического равновесия систем , возникновение самоорганизации опирается на диаметрально противоположный принцип - положительную обратную связь, согласно которому изменения, появляющиеся в системе , не устраняются, а напротив накапливаются и усиливаются, что и приводит в конце концов к возникновению нового порядка и структуры.

Процессы самоорганизации , как и переходы от одних структур к другим, сопровождаются нарушением симметрии. Мы уже видели, что при описании необратимых процессов пришлось отказаться от симметрии времени, характерной для обратимых процессов в механике. Процессы самоорганизации , связанные с необратимыми изменениями, приводят к разрушению старых и возникновению новых структур.

Самоорганизация может начаться лишь в системах обладающих достаточным количеством взаимодействующих между собой элементов и, следовательно, имеющих некоторые критические размеры. В противном случае эффекты от синергетического взаимодействия будут недостаточны для появления кооперативного (коллективного) поведения элементов системы и тем самым возникновения самоорганизации .

85-Все синергетические системы – это сложные открытые неравновесные самоорганизующиеся системы, которые способны на внешнее воздействие отвечать самоорганизацией структур.

Примеры: человеческое сознание, большие косяки рыб, перелеты птиц, большие стаи животных, самоорганизация колоний амеб и т.п. Например, сердце работает как целостная система, ритмично перекачивая кровь, тогда как изолированные клетки сердца продолжают ритмично сокращаться, но каждая клетка при этом работает в своем собственном ритме, и разброс частот между изолированными клетками может быть очень большим, тем самым создается частотный хаос, беспорядок. Однако как только изолированные клетки объединяются в единый орган – сердце, все клетки сердца переходят на единую частоту.

86-87) Критерии естественно-научной концепции развития.

Сущность естественно-научной концепции развития заключается в том, что эволюция природы имеет две тенденции: самоорганизация и деградация. Самооргинзация - процесс самороизвольного усложнения структуры системы при взаимодейтсвии ее с другими системами. Деградация - вырождение, распад, разложение системы. В развитии самоорганизующихся систем любого уровня сложности различают два этапа: эволюционный, качественно не меняющий систему, и скачок, выводящий ее из кризисного состояния в качественно новое устйчивое состояние с более высоким, чем прежде, уровнем упорядоченности. В сжатом виде представления новой научной концепции развития укладываются в трехчленную формулу: системность, динамизи, самоорганизация.

Системность - это общий системный подход, основанный на том, что Вселенная в доступной человеческим наблюдениям области предстает как самая крупная из известных науке систем, имеющая свою историю от возникновения до наших дней и далее.. Динамизм - это невозможность существования систем вне развития, вне движения. Динамизм - свойство системы любого масштаба.

В свете новой концепции иначе, чем раньше, решается вопрос о соотношении случайного и закономерного в развитии. Эволюционные этапы весьма жестко детерминированы, поведение системы здесь предсказуемо и даже управляемо, если имеются необходимые управленческие средства. В критических же точках (точках бифуркаций), достигаемых системой на завершающих стадиях эволюционного процесса, господствует случайность. В таких точках нельзя предугадать то новое устойчивое состояние, в которое система перейдет в ходе скачка. А следующий эволюционный этап стартует именно от случайного перехода системы на новый уровень.

88-Точка бифуркации — критическое состояние системы, при котором система становится неустойчивой относительно флуктуаций и возникает неопределенность: станет ли состояние системы хаотическим или она перейдет на новый, более дифференцированный и высокий уровень упорядоченности.

Свойства точки бифуркации

• Непрогнозируемость. Обычно точка бифуркации предваряет несколько ветвей аттрактора (устойчивых состояний системы), в одно из которых перейдет система. Однако заранее невозможно предсказать, какой новый аттрактор займёт система. Это связано с природой времени - невозможно так синхронизировать внутренние состояния элементов системы, чтобы достоверно определить, в каких состояниях они будут в момент, когда система достигнет точки бифуркации.

• Точка бифуркации носит как правило кратковременный локальный характер относительно разделямых ею более длительных устойчивых состояний системы.

На основании свойства непрогнозируемости точки бифуркации все события делятся на

• рациональные,

• иррациональные хаотические - имеющие область бифуркаций и область рациональных аттракторов, и

• иррациональные случайные - зона когда бифуркации охватывает все пространство возможных событий.

Для бифуркации рождения цикла возможно как мягкое возбуждение автоколебаний системы, сопровождающее потерю устойчивости стационарной точки системы, так и жесткое, когда фазовая точка, находившаяся в окрестности устойчивого начала координат, быстро "выбрасывается" из окрестности стационарной точки, например в окрестность имеющейся у системы удаленной устойчивой стационарной точки или удаленного устойчивого цикла.

89. Термоядерная реакция (синоним: ядерная реакция синтеза) — разновидность ядерной реакции, при которой лёгкие атомные ядра объединяются в более тяжёлые ядра.

Термоядерный синтез – это процесс образования новых химических элементов. Необходимое условие: сближение ядра химического элемента, протона и электрона на критическое расстояние (расстояние соизмеримое с размерами взаимодействующих частиц).

90. Естественная радиоактивность — самопроизвольный распад ядер элементов, встречающихся в природе. Естественная радиоактивность сопровождается испусканием определенных частиц: альфа-, бета- излучений, антинейтрино, а также электромагнитного излучения(гамма-излучение). Естественная радиоактивность наблюдается у тяжелых ядер элементов, располагающихся в периодической системе Д.И.Менделеева за свинцом.

91. Естественной радиоактивностью обладает почва, вода, атмосфера, некоторые продукты и вещи, многие космические объекты. Первоисточником естественной радиации во многих случаях служит излучение Солнца и энергия распада некоторых элементов земной коры. Естественной радиоактивностью обладает даже сам человек. В отличие от естественной, искусственная радиоактивность — следствие человеческой деятельности. Источниками искусственной радиации являются: атомные электростанции, военная и мирная техника, использующая ядерные реакторы, места добычи полезных ископаемых с нестабильными атомными ядрами, зоны ядерных испытаний, места захоронения и утечки ядерного топлива, кладбища ядерных отходов, некоторая диагностическая и лечебная техника, а также радиоактивные изотопы в медицине.

(Естественная радиоактивность — самопроизвольный распад ядер элементов, встречающихся в природе.

Искусственная радиоактивность — самопроизвольный распад ядер элементов, полученных искусственным путем через соответствующие ядерные реакции.)

92. В отличие от ядерных реакций, при химических реакциях ядра атомов не меняются, в частности не изменяется их общее число, изотопный состав химических элементов, при этом происходит перераспределение электронов и ядер и образуются новые химические вещества (химическая: H2+O2=H2O, ядерная: .)

93. Число валентных электронов определяет то, как атом связывается с другими атомами посредством химической связи. Путём образования химических связей атомы стремятся заполнить свои внешние валентные оболочки

94)Химическая связь – это взаимодействие, которое связывает отдельные атомы в молекулы, ионы, кристаллы.

Химическая связь между атомами обусловливается перекрыванием электронных облаков. Если перекрывание происходит вдоль линии, соединяющей ядра атомов, то такая связь называется сигма-связью (σ-связь). Она может быть образована за счет двух s-электронов, s- и p-электронов, двух px-электронов, s и d электронов.

Химическая связь, осуществляемая одной электронной парой, называется одинарной. Одинарная связь – всегда σ-связь. Орбитали типа s могут образовывать только σ-связи.

Связь двух атомов может осуществляться более чем одной парой электронов. Такая связь называется кратной. Примером образования кратной связи может служить молекула азота. В молекуле азота px-орбитали образуют одну σ-связь. При образовании связи pz-орбиталями возникают две области перекрывания – выше и ниже оси х:

Такая связь называется пи-связью (π-связь). Возникновение π-связи между двумя атомами происходит только тогда, когда они уже связаны σ-связью. Вторую π-связь в молекуле азота образуют ру-орбитали атомов. При образовании π-связей электронные облака перекрываются меньше, чем в случае σ-связей. Вследствие этого π-связи, как правило, менее прочны, чем σ-связи, образованные теми же атомными орбиталями.

р-орбитали могут образовывать как σ-, так и π-связи; в кратных связях одна из них обязательно является σ-связью .

Таким образом, в молекуле азота из трех связей одна - σ-связь и две - π-связи.