- •Концепции современного естествознания Справочник для студентов
- •Содержание
- •Введение
- •Тема 1. Естественнонаучная и гуманитарная культуры
- •1. Культура и наука. Критерии науки и ее социальные функции
- •2. Мир природы и мир человека: способы познания
- •3. Сциентизм и антисциентизм – мировоззренческие позиции хх века и их влияние на развитие культуры
- •4. Этика науки
- •Тема 2. Предмет и метод естествознания
- •1. Предмет естествознания. Эволюция понятия природы
- •2. Научный метод. Классификация методов естественнонаучного познания
- •3. Формы научного знания
- •4. Принципы естествознания. Способы обоснования (модели) естественнонаучного знания
- •Тема 3. Динамика естествознания и тенденции его развития
- •1. Возникновение естествознания. Проблема начала науки
- •2. Основные модели развития естественнонаучного знания
- •3. Научные революции и смена картин мира
- •4. Классическое, неклассическое и постнеклассическое естествознание
- •Тема 4. История естествознания
- •1. Знание о природе в древних цивилизациях
- •2. Античная наука о природе
- •3. Эпоха Средневековья: религиозная картина мира и естественнонаучное познание
- •4. Эпоха Возрождения: революция в мировоззрении и науке. Предпосылки классической науки
- •5. Галилео Галилей и его роль в становлении классической науки
- •6. И. Ньютон и его роль в становлении классической науки
- •7. Научная революция XVI-XVII веков, ее ход, содержание и основные итоги
- •8. Естествознание в XVIII-XIX вв.
- •9. Физика на рубеже XIX-XX веков, ее открытия и достижения
- •10. Предпосылки и основное содержание новейшей революции в естествознании (XX в.) Становление современной науки
- •Тема 5. Структурные уровни организации материи
- •Современные взгляды на структурную организацию материи
- •Тема 6. Макромир: вещество и поле. Принципы классической физики
- •1. Корпускулярная и континуальная концепции природы
- •2. Детерминизм. Динамические и статистические закономерности
- •3. Основные принципы термодинамики. Значение законов термодинамики в описании явлений природы
- •4. Основные понятия, законы и принципы классической физики
- •Тема 7. Открытые системы и неклассическая термодинамика
- •1. Закрытые и открытые системы. Энтропия, порядок и хаос
- •2. Концепция «Тепловой смерти Вселенной»
- •3. Неравновесная термодинамика. Рождение синергетики
- •Тема 9. Микромир. Квантовая физика
- •1. Открытие микромира. Принципы квантовой физики
- •2. Классификация элементарных частиц
- •3. Фундаментальные физические взаимодействия
- •Тема 9. Мегамир. Современные астрофизические и космологические концепции
- •1. Основные космологические модели Вселенной
- •2. Эволюция Вселенной. Теория «Большого взрыва»
- •3. Антропный принцип
- •4. Строение и эволюция галактик
- •5. Строение и эволюция звезд
- •6. Происхождение и строение Солнечной системы
- •Тема 10. Пространство и время в современной научной картине мира
- •1. Развитие представлений о пространстве и времени в истории науки Классическая концепция пространства и времени
- •3. Формы пространства и времени
- •Тема 11. Основные концепции химии
- •1. Химия как наука, ее предмет и проблемы
- •2. Основные этапы (концепции) развития химии
- •3. Химические системы и процессы
- •4. Реакционная способность веществ
- •5. Проблемы самоорганизации в современной химии
- •Тема 12. Проблемы и перспективы современной геологии
- •1. Основные этапы развития наук о Земле
- •2. История геологического развития Земли
- •3. Внутреннее строение Земли
- •Тема 13. Особенности биологического уровня организации материи
- •1. Биология как система наук о живой природе
- •2. Основные концепции происхождения жизни. Сущность живого
- •3. Уровни организации живой материи и ее свойства
- •4. Клеточная теория. Единство органического мира
- •Тема 14. Генетика и эволюция
- •1. Концепции эволюционизма в биологии
- •2. Эволюция как основа многообразия и единства живых организмов Микроэволюция и макроэволюция
- •3. Принципы воспроизводства и развития живых систем Онтогенез и филогенез
- •Тема 15. Человек как предмет естествознания
- •1. Естественнонаучная концепция антропогенеза
- •2. Физиология человека. Здоровье и работоспособность человека
- •3. Высшие психические функции и их физиологические механизмы. Сознание и мозг
- •4. Этология. Особенности поведения человека и животных
- •Тема 17. Эмоции и творчество. Жизнь как ценность
- •1. Эмоции и их роль в жизни человека
- •2. Воображение и творчество. Поиски алгоритма творчества
- •3. Жизнь как ценность. Биоэтика
- •Тема 17. Человек и биосфера
- •1. Эволюция представлений о биосфере Концепция Вернадского о биосфере
- •2. Ноосфера. Единство человека и природы. Русский космизм
- •3. Космические циклы и человек
- •Тема 18. Принцип глобального эволюционизма и его роль в современной науке
- •1. Глобальный эволюционизм
- •2. Самоорганизация как основа эволюции
3. Фундаментальные физические взаимодействия
К настоящему времени известны четыре основных вида фундаментальных взаимодействий: сильное, электромагнитное, слабое и гравитационное.
Сильное взаимодействие осуществляется на уровне атомных ядер на расстоянии порядка 10-13 см, обеспечивает связь нуклонов в ядре и определяет ядерные силы. Поэтому атомные ядра очень устойчивы, разрушить их трудно. (Предполагается, что ядерные силы возникают при обмене виртуальными частицами, т.е. частицами, которые существуют в промежуточных, имеющих малую длительность состояниях, для которых не выполняется обычное соотношение между временем, импульсом и массой). Ядерная сила действует только между адронами (например, протон и нейтрон, составляющие ядро атома) и внутри адронов – между кварками, она не зависит от электрических зарядов взаимодействующих частиц.
Слабое взаимодействие - короткодействующее, происходит между различными частицами на расстоянии 10-15 - 10-22 см. Оно связано с распадом частиц в атомном ядре, например, нейтрон в среднем за 15 мин. распадается на протон, электрон и антинейтрино. Большинство частиц нестабильны именно благодаря слабому взаимодействию. Слабая сила действует между лептонами, лептонами и адронами или только между адронами, ее действие тоже не зависит от электрического заряда.
Электромагнитное взаимодействие почти в 1000 раз слабее сильного, зато более дальнодействующее. Оно свойственно электрически заряженным частицам, а его носителем является не имеющий заряда фотон – квант электромагнитного поля. Электромагнитное взаимодействие определяет структуру атома, отвечает за большинство физических и химических явлений и процессов, им определяется агрегатное состояние вещества и др.
Гравитационное взаимодействие является самым слабым, имеет решающее значение в космических масштабах и неограниченный радиус действия. Гравитационное взаимодействие универсально, оно заключается во взаимном притяжении и определяется законом всемирного тяготения.
Взаимодействие элементарных частиц происходит при помощи соответствующих физических полей, квантами которых они являются. Низшее энергетическое состояние поля, где отсутствуют кванты поля, называется вакуумом. При отсутствии возбуждения поле в вакууме не содержит частиц и не проявляет механических свойств, но при возбуждении в нем появляются соответствующие кванты, при помощи которых происходит взаимодействие. Существует гипотеза о наличии квантов гравитационного поля – гравитонов, но экспериментально она пока не подтверждена.
Квантовое поле является совокупностью квантов и носит дискретный характер, т.к. все взаимодействия элементарных частиц происходят квантованным образом. В чем тогда проявляется его континууальность (непрерывность)? В том, что состояние поля задается волновой функцией. С наблюдаемыми явлениями она связана не однозначно, а через понятие вероятности. При проведении целого комплекса опытов в итоге получается картина, которая напоминает результат волнового процесса. Микромир парадоксален: элементарная частица может быть составной частью любой другой элементарной частицы. Например, после столкновения двух протонов возникает много других элементарных частиц, в том числе протонов, мезонов, гиперонов. Феномен «множественного рождения» объяснил Гейзенберг: при соударении большая кинетическая энергия превращается в вещество, и мы наблюдаем множественное рождение частиц.
Пока еще не существует удовлетворительной теории происхождения и структуры элементарных частиц. Многие физики думают, что создать ее можно при учете космологических причин. Исследование рождения элементарных частиц из вакуума в электромагнитных и гравитационных полях имеет большое значение, так как здесь проявляется связь микро - и мегамиров. Фундаментальные взаимодействия в мегамире определяют структуру элементарных частиц и их превращения.
Основные понятия темы:
Квант – мельчайшая постоянная порция излучения.
Фотон – квант электромагнитного поля.
Фотоэффект – выбивание из вещества электронов под действием электромагнитных волн, определяется частотой волны.
Принцип соотношения неопределенностей (Гейзенберг): в квантовой механике нет таких состояний, в которых местоположение и количество движения имели бы вполне определенное значение.
Принцип дополнительности (Бор): понятие частицы и волны дополняют друг друга и в то же время противоречат друг другу, они являются дополняющими картинами происходящего.
Спин – собственный момент количества движения частицы.
Сильное взаимодействие осуществляется на уровне атомных ядер, обеспечивает связь нуклонов в ядре и определяет ядерные силы.
Слабое взаимодействие – короткодействующее, связано с распадом частиц в атомном ядре.
Электромагнитное взаимодействие свойственно электрически заряженным частицам, а его носителем является не имеющий заряда фотон.
Гравитационное взаимодействие универсально и определяется законом всемирного тяготения.
Физический вакуум – низшее энергетическое состояние поля, где отсутствуют кванты.