Шпаргалка по "естествознанию"

 

Стабильность протона, электрона, фотона и нейтрино означает, что  они могут претерпевать изменения  лишь при взаимодействиях с другими  частицами.

 

Следует особо подчеркнуть, что существование античастиц не гипотетично, а модели с их использованием не являются плодом фантазии физиков. В 1956 г. был открыт антинейтрон. Если электрон от позитрона и протон от антипротона отличаются прежде всего  знаком зарядов, то чем различаются  нейтрон и антинейтрон? Нейтрон  не имеет электрического заряда, но имеет связанное с ним магнитное  поле. Причина этого не совсем ясна, хотя установлено, что магнитное  поле нейтрона ориентировано в одном  направлении, а магнитное поле антинейтрона – в противоположном.

 

Античастицы имеют и другие фундаментальные свойства по сравнению  с частицами. Так, при переходе от мира к антимиру меняются местами  «право» и «лево» и одновременно меняются знаки всех зарядов. Время  в антимире течет от будущего к  прошлому, а не от прошлого к будущему, как в мире.

 

28. ПРОБЛЕМА ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ  МЕГА– И МИКРОМИРА. БУДСТРАП-ПОДХОД 

 

В современном естествознании все окружающие нас материальные объекты принять условно делить на микро-, макро– и мегамир. Одна из основных концепций естествознания говорит о единстве всех систем микро-, макро– и мегамира. Можно говорить о единой материальной основе происхождения всех материальных систем на разных стадиях эволюции Вселенной.

 

Материальные объекты  микро-, макро– и мегамира отличаются не только своими геометрическими размерами, но и другими количественными характеристиками. Так, например, Солнце состоит из колоссального числа частиц: 1 056ядер атомов водорода и примерно такого же количества ядер атомов гелия.

 

Свойства и особенности  материальных объектов микро– и мегамира описываются разными теориями, принципами, законами.

 

При объяснении процессов  в микромире используются принципы и теории квантовой механики, квантовой  статистики и т. п. Движение планет Солнечной  системы описывается законом  всемирного тяготения и законами Кеплера. Происхождение и эволюция Вселенной объясняются на основании  комплекса естественно-научных знаний, включающих физику элементарных частиц, квантовую теорию поля, теорию относительности  и т. п.

 

Материальные объекты  образуют целостную систему лишь в том случае, если энергия связи  между ними больше кинетической энергии  каждого из них. Энергия связи  – это та энергия, которую необходимо затратить, чтобы полностью «растащить»  систему на отдельные ее составляющие. Величина энергии связи природных  систем на различных уровнях организации  материи зависит от вида взаимодействия и характера сил, объединяющих материальные объекты в систему. Например, существование  в течение миллиардов лет звезд, в том числе и Солнца, обусловливается  устойчивым равновесием между энергией взаимного гравитационного притяжения частиц, стремящегося сжать вещество звезды, и энергией их теплового  движения, приводящего к его рассеиванию. Объединяющую роль в атомах и молекулах  играет электромагнитное взаимодействие.

 

Существенное различие между  материальными объектами микро– и макромира заключается в  тождественности микрочастиц и  индивидуальности мега-систем. Для  микрочастиц выполняется принцип  тождественности: состояния системы  частиц, получающиеся друг из друга  перестановкой частиц местами, нельзя различить ни в каком эксперименте. Такие состояния рассматриваются  как одно физическое состояние. Этот квантово-механический принцип характеризует  одно из основных различий между классической и квантовой механикой. В классической механике можно проследить за движением  отдельных частиц по траекториям  и таким образом отличить частицы  одну от другой. В квантовой механике тождественные частицы полностью  лишены индивидуальности. Однако в  природе не существует двух совершенно одинаковых мегасистем – все они индивидуальны. Индивидуальность может проявляться и на молекулярном уровне. Например, молекулы этилового спирта и диме-тилового эфира имеют одинаковые атомный состав и мо-лекулярную массу, но различные химические и физические свойства. Такие вещества называются химическими изомерами. Нестабильные ядерные изомеры при одинаковом составе ядер имеют различные периоды полураспада.

 

29. ПРОБЛЕМА ПРОСТРАНСТВА  И ВРЕМЕНИ 

 

В классической механике был  известен принцип относительности  Галилея: если законы механики справедливы  в одной системе координат, то они справедливы и в любой  другой системе, движущейся прямолинейно и равномерно относительно первой. Такие системы называются инерциальными.

 

А. Эйнштейн использовал мысленный  эксперимент, который получил название «поезд Эйнштейна»: «Представим себе наблюдателя, едущего в поезде и  измеряющего скорость света, испускаемого фонарями на обочине дороги, т. е. движущегося  со скоростью с в системе отсчета, относительно которой поезд движется со скоростью V. По классической теореме  сложения скоростей наблюдатель, едущий в поезде, должен был бы приписать  свету, распространяющемуся в направлении  движения поезда, скорость с – V...». Однако скорость света выступает  как универсальная постоянная природы.

 

Рассматривая это противоречие, А. Эйнштейн предложил отказаться от представления об неизменности свойств  пространства и времени. Данный вывод  противоречит здравому смыслу, так  как мы не можем представить никакого пространства, кроме трехмерного, и  никакого времени, кроме одномерного. Но главный критерий для науки  – соответствие теории и эксперимента. Теория Эйнштейна удовлетворяла  этому критерию и была принята.

 

Пространство и время  традиционно рассматривались в  науке как основные формы существования  материи, ответственные за расположение отдельных элементов материи  друг относительно друга и за закономерную координацию сменяющих друг друга  явлений.

 

Характеристиками пространства считались однородность – одинаковость свойств во всех направлениях, и  изотропность – независимость свойств от направления. Время также считалось однородным, т. е. любой процесс, в принципе, повторим через некоторый промежуток времени. С этими свойствами связана симметрия мира, которая имеет большое значение для его познания. Пространство рассматривалось как трехмерное, а время как одномерное и идущее в одном направлении – от прошлого к будущему. Время необратимо, но во всех физических законах от перемены знака времени на противоположный ничего не меняется, и, стало быть, физически будущее неотличимо от прошедшего.

 

В истории науки известны две концепции пространства: пространство неизменное как вместилище материи (взгляд И. Ньютона) и пространство, свойства которого связаны со свойствами тел, находящихся в нем (взгляд Лейбница). В соответствии с теорией относительности  любое тело определяет геометрию  пространства.

 

Из специальной теории относительности следует, что расстояние между двумя материальными точками  и длительность происходящих в нем  процессов являются не абсолютными, а относительными величинами. При  приближении к скорости света  все процессы в системе замедляются, продольные размеры тела сокращаются  и события, одновременные для  одного наблюдателя, оказываются разновременными  для другого, движущегося относительно него.

 

Итак, пространство и время  – общие формы координации  материальных явлений, а не самостоятельно существующие независимо от материи  начала бытия.

 

Найденное А. Эйнштейном объединение  принципа относительности Галилея  с относительностью одновременности  получило название принципа относительности  Эйнштейна.

 

30. ПРОБЛЕМА ПОСТРОЕНИЯ  ЕДИНОЙ ТЕОРИИ ПОЛЯ 

 

Единая теория поля – это  единая теория материи, призванная свести все многообразие свойств элементарных частиц и их взаимодействий к небольшому числу уникальных принципов. Такая  теория еще не построена и рассматривается  скорее как стратегия развития физики микромира.

 

Первым примером объединения  различных физических явлений (электромагнитных, световых) принято считать уравнения  Максвелла.

 

В специальной теории относительности  свойства пространства и времени  рассматриваются без учета гравитационных полей, которые не являются инер-циальными. Общая теория относительности распространяет выводы специальной теории относительности на все, в том числе на неинерциальные системы. Общая теория относительности связала тяготение с электромагнетизмом и механикой. Она заменила ньютонов механистический закон всемирного тяготения на полевой закон тяготения. И здесь физика перешла от вещественной к полевой теории.

 

Три века физика была механистической  и имела дело только с веществом. Но «уравнения Максвелла описывают  структуру электромагнитного поля. Ареной этих законов является все  пространство, а не одни только точки, в которых находится вещество или заряды, как это имеет место  для механических законов». Представление  о поле победило механицизм. Уравнения  Максвелла «не связывают, как  это имеет место в законах  Ньютона, два широко разделенных  события, они не связывают события  здесь с условиями там. Поле здесь  и теперь зависит от поля в непосредственном соседстве в момент, только что  протекший» (А. Эйнштейн, Л. Инфельд). Это существенно новый момент полевой картины мира.

 

Электромагнитные волны  распространяются со скоростью света  в пространстве, и аналогичным  образом действует гравитационное поле.

 

Массы, создающие поле тяготения, по общей теории относительности  искривляют пространство и меняют течение  времени. Чем сильнее поле, тем  медленнее течет время по сравнению  с течением времени вне поля. Тяготение  зависит не только от распределения  масс в пространстве, но и от их движения, от давления и натяжений, имеющихся в телах, от электромагнитного и других физических полей. Изменения гравитационного поля распределяются в вакууме со скоростью света. В теории Эйнштейна материя влияет на свойства пространства и времени.

 

Таким образом, А. Эйнштейн пытался  объединить электромагнитные и гравитационные явления на основе общей теории относительности, связывающей гравитационные взаимодействия материи с геометрическими свойствами пространства-времени.

 

В начале 1970-х гг. была построена  объединенная теория слабого и электромагнитного  взаимодействий. После этого выдвинули  ряд предположений, что при относительно больших энергиях взаимодействующих  частиц или при чрезвычайно высокой  температуре материи все четыре фундаментальных взаимодействия (гравитационное, электромагнитное, сильное и слабое) характеризуются одинаковой силой (Великое объединение).

 

Таким образом, единая теория поля остается пока мечтой. Однако неразрывная  связь между всеми частицами  и их взаимопревращаемость заставляют с неослабевающей настойчивостью искать пути подхода к единой теории электромагнитного поля, призванной объяснить все многообразие форм материи.

 

31. УНИВЕРСАЛЬНЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ  МОДЕЛИ КОРПУСКУЛЫ 

 

Корпускула – это частица  в классической физике. В качестве корпускулы будем рассматривать  молекулу – наименьшую частицу вещества, обладающую его основными химическими  свойствами и состоящую из атомов, соединенных между собой химическими  связями. Число атомов в молекуле составляет от двух (Н2) до сотен и  тысяч (некоторые витамины, белки). Если молекула состоит из тысяч и более  повторяющихся единиц (одинаковых или  близких по строению групп атомов), то ее называют макромолекулой.

 

В физике представление о  молекуле возникло в XVIII в. и получило широкое признание в XIX в. в связи  с развитием термодинамики и  теории газов и жидкостей. Во второй половине XIX в. с помощью различных  химических методов были получены многие важные сведения о строении молекул.

 

Атомы в молекуле связаны  между собой в определенной последовательности и определенным образом расположены  в пространстве. Наиболее общие характеристики молекул – молекулярная масса, состав и структурная формула, указывающая  последовательность химических связей. Прочность межатомной связи характеризуется  энергией химической связи, которая  составляет обычно несколько десятков кДж/моль. Атомы в молекуле непрерывно совершают колебательные движения. Молекулы, как и атомы, не имеют  четких границ. Размеры молекулы можно  ориентировочно оценить, зная плотность  вещества, молекулярную массу и число  Авогадро. Так, если допустить, что молекула Н^О имеет сферическую форму, то диаметр ее окажется равным примерно 3 х 10-8см. Размеры молекулы растут с  увеличением числа атомов в них  и лежат в пределах 10-8– 10-5см. Молекулу нельзя увидеть невооруженным глазом или с помощью оптического  микроскопа, однако существование молекул  доказывают многочисленные явления.

 

Устойчивость молекул  в среде зависит от ее взаимодействия с другими атомами, а также  от температуры, давления и других внешних  факторов. В газообразном состоянии  вещество, как правило, состоит из молекул. При достаточно высоких  температурах молекулы всех газов распадаются  на атомы. Вода во всех агрегатных состояниях состоит из молекул; из молекул построены  большинство жидкостей и молекулярные кристаллы. В металлах и других атомных  кристаллах, а также их расплавах  молекулы, как правило, не существуют, так как в них каждый атом взаимодействует  со всеми соседними приблизительно одинаково.

 

Можно рассматривать в  качестве корпускулы и атом – часть  вещества микроскопических размеров и  массы, наименьшая часть химического  элемента, являющаяся носителем его  свойств. Каждому химическому элементу соответствует определенный род  атомов, обозначаемый химическим символом. Атомы существуют в свободных (в  газе) и связанных состояниях. Связываясь друг с другом непосредственно или  в составе молекул, атомы образуют жидкие и твердые тела. Все физические и химические свойства атома определяются особенностями его строения.

 

Атом состоит из тяжелого ядра, обладающего положительным  электрическим зарядом, и окружающих его легких частиц – электронов с отрицательными электрическими зарядами, образующих электронные оболочки атомов. Заряд ядра – основная характеристика атома, обусловливающая его принадлежность к определенному элементу.