гамма-лучи (состоят из фотонов сверхвысоких энергий и используются сегодня в онкологии для лечения раковых опухолей, точнее, для умерщвления раковых клеток).
Рисунок 3.1 – Спектр электромагнитных волн
Длина волны – очень важный параметр, поскольку она определяет пограничный масштаб: на расстояниях много больше длины волны излучение подчиняется законам геометрической оптики, его можно описывать как распространение лучей. На меньших расстояниях совершенно необходимо учитывать волновую природу света, его способность обтекать препятствия, невозможность точно локализовать положение луча и т. п.
Факт. Невозможно получить изображение объектов, если их размер порядка или меньше длины волны излучения, на которой ведется наблюдение. Это, в частности, ставит предел возможностям оптических микроскопов. В видимом свете невозможно рассмотреть объекты размером менее полмикрона; соответственно, увеличение больше чем 1-2 тысячи раз для оптического микроскопа лишено смысла.
Современная научная картина мира говорит о существовании трех форм материи – вещество, физическое поле, физический вакуум.
Физический вакуум – это первичная субстанция, базовая форма материи, среда, охватывающая всю Вселенную, среда с очень низким (но ненулевым!) энергосодержанием. Благодаря этому в нем постоянно происходят виртуальные процессы (порождения и аннигиляции частиц и др.).
Более подробно о физическом вакууме изложено в лекции 7 «Структуры микромира».
3.2 Развитие представлений о движении
Понятие движение, возможно, появилось еще в древней Греции. Так в центре учения Гераклита из Эфеса стоит идея безостановочной изменчивости вещей, их текучести. Гераклит учил, что все в мире изменчиво, «всё течет, всё меняется». Ничто в мире не повторяется, все преходяще и одноразово. Нельзя понять мир, не учитывая его постоянную текучесть, изменчивость, то, что он все время находится в состо янии становления. Становление– это постоянное изменение, преобразование, движение, ведущее к созданию новых форм (вне зависимости от того, какими эти новые формы являются– более сложными или более простыми, прогрессивными или регрессивными, высшими или низшими и др.); такие новые формы являются лишь повторением того, что уже
43
однажды когда-то было. В качестве примера он приводил огонь, который в то время представлялся самым подвижным и изменчивым веществом.
Согласно учению Аристотеля движение – это неотъемлемый атрибут материи, без материи нет движения. Нет движения как такового, а есть движение конкретных материальных предметов. Существует большое разнообразие форм движения материи, которые можно свести к следующим:
1.механическая (связана с перемещением и взаимодействием в пространстве твердых, газообразных и жидких тел);
2.физическая (охватывает взаимодействие молекул и электро-
магнитные процессы, распространение и превращение тепловой энергии и т. п.);
3.химическая (охватывает процессы образования молекул из атомов и превращения одних химических веществ в другие);
4.биологическая (охватывает все виды жизнедеятельности
растительных и животных организмов); 5. социальная (совокупность всех видов общественной
деятельности человека).
Долгое время в научной картине мира единственной формой движения считалось механическое перемещение, под которым понималось изменение положения тела в пространстве с течением времени относительно выбранной точки отсчета. Законы механики, которые регулировали как движение атомов, так и движение любых материальных тел, считались фундаментальными законами мироздания. По сути, д вижение объяснялось на основе трех законов Ньютона, сформулированных им в конце XVII в.
1-ый закон Ньютона (или закон инерции) говорит о существовании таких систем отсчета, относительно которых тело при отсутствии внешних воздействий движется прямолинейно и равномерно, либо покоится. Такие системы отсчета называются инерциальными. Таким образом, скорость тела сохраняется в отсутствие воздействий на него.
Факт. Инерциальная система отсчета – это научная абстракция. Реальная система отсчета всегда связывается с каким-либо конкретным телом – Землей, корпусом корабля, самолета или автомобиля – которое движется с ускорением. Тем не менее, для большинства технических задач центр инерциальной системы можно связать с центром Солнца, либо даже с центром Земли.
2-ой закон Ньютона говорит о том, что воздействие на тело вызывает изменение его скорости (ускорение). Опять-таки, этот закон
44
справедлив для инерциальных систем отсчета. При этом сила воздействия на тело равна силе его противодействия (3-ий закон Ньютона), т. е. стул воздействует на вас с такой же силой, что и вы давите на него, когда садитесь (п. 3.3).
Факт. Законы Ньютона перестают быть справедливыми для движения объектов очень малых размеров, сравнимых с размерами атомов (например, элементарные частицы), и при движении со скоростями, близкими к скорости света.
Со становлением электромагнитной картины мира (XIX в.) понятие движения несколько расширилось. Оно стало пониматься не только как простое механическое перемещение, но и как распространение колебаний (волн) в поле. Соответственно законы механики Ньютона уступили свое господствующее место законам электродинамики Максвелла.
Факт. Волны обычно распространяются в какой-то среде (например, волны на поверхности озера распространяются в воде), однако направление движения самой среды не совпадает с направлением движения волн. Представьте себе поплавок, покачивающийся на волнах. Поднимаясь и опускаясь, поплавок повторяет движения воды, в то время как волны проходят мимо него.
Классическими примерами волновых процессов являются интерференция и дифракция.
Интерференция волн – сложение в пространстве двух (или нескольких) волн, при котором амплитуда результирующей волны в разных точках резко увеличивается или уменьшается (рисунок 3.2). Явление интерференции происходит при взаимодействии двух и более волн одинаковой частоты, распространяющихся в одинаковых направлениях. При этом оно наблюдается и у волн, распространяющихся в средах, и у электромагнитных волн, т. е. интерференция является свойством волн как таковых и не зависит ни от свойств среды, ни от ее наличия.
Рисунок 3.2 – Интерференция волн
45
Дифракция волн – явление, наблюдаемое при прохождении волн мимо края препятствия, связанное с отклонением распространения волн от прямолинейного распространения при взаимодействии с препятствием. Из-за дифракции волны огибают препятствие, проникая в область геометрической тени.
Электромагнитная картина мира произвела настоящий переворот в физике. Она базировалась на идеях непрерывности материи, материального электрического поля, неразрывности материи и движения, связи пространства и времени как между собой, так и с движущейся материей.
За последние сто лет в научных представлениях о строении мира произошли гигантские изменения. Сейчас мы знаем множество новых форм движения материи, связанных с внутриатомными процессами, с взаимодействием кварков, разнообразных физических полей и элементарных частиц, а также с другими видами материи, возникающими на стыке живой и неживой природы. По мере научного познания материального мира возникают новые виды материальных объектов и процессов, т. е. новые виды материи, а, следовательно, и новые формы движения. Более сложным объектам и процессам соответствует и более сложная форма их движения. Чем сложнее данный вид материи, тем разнообразнее формы движения, в которых она одновременно находится. Так, живые организмы сложнее любого физического образования, состоящего из атомов, молекул. Им присуща биологическая форма движения, но вместе с тем они подчиняются и физическим законам, например законам притяжения, и химическим законам, которые управляют соединением молекул, образующих органы животных или растений и т. д. Человек включен в общественную форму движения, но одновременно – как живое существо – и в биологическую форму движения и т. д. Точно так же планеты Солнечной системы включены в особые планетарные формы движения (например, Земля – в геологическую). Вместе с тем они представляют собой очень сложные системы, части и элементы которых включены в физическую, химическую и другие формы движения.
Высшие, более сложные формы движения включают в себя более простые формы, сложившиеся на предшествующих ступенях развития. При этом более сложные формы нельзя свести к более простым. Так, общество как особую форму движения нельзя свести к би ологической форме движения. Попытка такого сведения означала бы разрушение общества и превращение людей в животных.
46