1. Естествознание как особая форма освоения объективной реальности. Статус естествознания в современном мире
 Скачать 112.74 Kb.
|
|
20. Принципы относительности; принципы симметрии; законы сохранения. Согласно принципу относительности Галилея, механические явления в инерциальных системах отсчёта протекают одинаково и не зависят от состояний движения или покоя. Таким образом, инерциальные системы отсчёта оказываются равноправными и неразличимыми при выполнении механических экспериментов. С другой стороны, механические явления описываются соответствующими физическими величинами и законами. В случае использования подходящего преобразования как физические величины, так и физические законы не меняют свой вид после замены координат и времени одной системы на координаты и время другой системы. Специальная теория относительности справедлива не только для механических, но и для остальных физических явлений, в первую очередь для электромагнитных явлений. Пространственно-временные измерения в СТО производятся с помощью света или электромагнитных волн. Поскольку координаты и время являются основными параметрами преобразований в теориях относительности, то из соответствия СТО законам электромагнетизма вытекает соответствие СТО теориям относительности, которые описывают явления, даже и не связанные с электромагнетизмом. Точность, с которой описываются любые физические явления на базе координат и времени в СТО, соответствует той точности, с которой производятся измерения координат и времени в СТО. Расширенный на все физические явления принцип относительности Галилея можно назвать принципом относительности Пуанкаре-Эйнштейна. Пуанкаре упоминается здесь потому, что он ещё в 1895 г. формулирует принцип относительности в своей статье «К теории Лармора», а затем с его помощью рассматривает преобразование для гравитационного поля движущихся тел в статье «О динамике электрона». Расширенная специальная теория относительности, разработанная Сергеем Федосиным, также как и СТО, использует принцип относительности Эйнштейна и преобразования Лоренца для связи между событиями в разных инерциальных системах отсчёта. Различие между теориями относительности РСТО и СТО вытекает из того, что они выведены исходя из неодинакового набора исходных постулатов или аксиом. Относительность физических систем и симметрии Анализ теорий относительности показывает, что в основе каждой из них лежит какая-то симметрия физических законов. В относительности Галилея такой симметрией является независимость явлений от значения постоянной скорости движения системы. Причиной симметрии следует считать независимость электромагнитных и гравитационных сил, действующих между телами, от одновременного и одинакового изменения состояния движения этих тел. Симметрией СТО является симметрия относительности Галилея с учётом фактора ограниченности скорости света (или скорости гравитационной волны, если с её помощью осуществляются пространственно-временные измерения). Известно, что если устремить скорость света в преобразованиях Лоренца в бесконечность, эти преобразования переходят в преобразования Галилея. Математически симметрию можно выразить как неизменность интервала между двумя пространственно-временными точками в разных инерциальных системах отсчёта. Другой путь демонстрации симметрии – выражение физических законов в таком виде, что они имеют один и тот же вид во всех инерциальных системах. Для общей теории относительности симметрией можно также считать независимость дифференциального интервала между двумя пространственно-временными точками в применении к любой системе отсчёта, а также ковариантную форму записи физических законов, обеспечивающую их применимость в любой физической системе. В теории Эйнштейна-Картана дополнительной симметрией можно считать симметрию относительно вращения тел, а в скалярно-тензорной теории Джордан-Бранс-Дике дополнительной симметрией можно предполагать учёт дополнительного скалярного поля. Симметрия лоренц-инвариантной теории гравитации (ЛИТГ) Федосина заключается в симметрии между электромагнитным и гравитационным полями, которые считаются фундаментальными и равноправными физическими векторными полями, смотри гравимагнетизм и максвеллоподобные гравитационные уравнения. Одновременный учёт этих полей в теории гравитации приводит к понятию тяготения как суммарного эффекта от всех видов материи и полей. В ковариантной теории гравитации (КТГ) как гравитационное, так и электромагнитное поля наравне с веществом участвуют в изменении метрики пространства-времени. В этом смысле в КТГ достигается симметрия между действием полей и вещества. принцип неопределённости Гейзенберга, водородная система и квантованность параметров космических систем имеют место как на уровне элементарных частиц, так и на уровне звёзд. Для уровня элементарных частиц вводится в рассмотрение сильная гравитация, при этом постоянная сильной гравитации значительно отличается от обычной гравитационной постоянной. Для звёзд вместо постоянной Планка и постоянной Дирака соответственно должны применяться звёздная постоянная Планка и звёздная постоянная Дирака, а также другие, звёздные постоянные. В ходе развития науки следует ожидать открытия других теорий относительности физических систем и соответствующих им симметрий. 21. Взаимодействие. Типы взаимодействия в природе. Их объединение в единую теорию поля. Фундамента́льные взаимоде́йствия — качественно различающиеся типы взаимодействия элементарных частиц и составленных из них тел. На сегодня достоверно известно существование четырех фундаментальных взаимодействий: • гравитационного • электромагнитного • сильного • слабого При этом электромагнитное и слабое взаимодействия являются проявлениями единого электрослабого взаимодействия В физике механическая энергия делится на два вида — потенциальную и кинетическую энергию. Причиной изменения движения тел (изменения кинетической энергии) является сила (потенциальная энергия) (см. второй закон Ньютона). Исследуя окружающий нас мир, мы можем заметить множество самых разнообразных сил: сила тяжести, сила натяжения нити, сила сжатия пружины, сила столкновения тел, сила трения, сила сопротивления воздуха, сила взрыва и т. д. Однако когда была выяснена атомарная структура вещества, стало понятно, что все разнообразие этих сил есть результат взаимодействия атомов друг с другом. Поскольку основной вид межатомного взаимодействия — электромагнитное, то, как оказалось, большинство этих сил — лишь различные проявления электромагнитного взаимодействия. Одно из исключений составляет, например, сила тяжести, причиной которой является гравитационное взаимодействие между телами, обладающими массой. К началу XX века выяснилось, что все известные к тому моменту силы сводятся к двум фундаментальным взаимодействиям: электромагнитному и гравитационному. В 1930-е годы физики обнаружили, что ядра атомов состоят из нуклонов (протонов и нейтронов). Стало понятно, что ни электромагнитные, ни гравитационные взаимодействия не могут объяснить, что удерживает нуклоны в ядре. Было постулировано существование нового фундаментального взаимодействия: сильного взаимодействия. Однако в дальнейшем оказалось, что и этого недостаточно, чтобы объяснить некоторые явления в микромире. В частности, было непонятно, что заставляет распадаться свободный нейтрон. Тогда было постулировано существование слабого взаимодействия, и этого оказалось достаточно для описания всех до сих пор наблюдавшихся явлений в микромире. Первой из теорий взаимодействий стала теория электромагнетизма, созданная Максвеллом в 1863 году. Затем в 1915 г. Эйнштейн сформулировал общую теорию относительности, описывающую гравитационное поле. Появилась идея построения единой теории фундаментальных взаимодействий (которых на тот момент было известно только два), подобно тому как Максвеллу удалось создать общее описание электрических и магнитных явлений. Такая единая теория объединила бы гравитацию и электромагнетизм в качестве частных проявлений некоего единого взаимодействия. В течение первой половины XX века ряд физиков предприняли многочисленные попытки создания такой теории, однако ни одной полностью удовлетворительной модели выдвинуто не было. Это, в частности, связано с тем, что общая теория относительности и теория электромагнетизма различны по своей сути. Тяготение описывается искривлением пространства-времени, и в этом смысле гравитационное поле нематериально, в то время как электромагнитное поле является материей. Во второй половине XX столетия задача построения единой теории осложнилась необходимостью внесения в неё слабого и сильного взаимодействий, а также квантования теории. В 1967 году Саламом и Вайнбергом была создана теория электрослабого взаимодействия, объединившая электромагнетизм и слабые взаимодействия. Позднее в 1973 году была предложена теория сильного взаимодействия (квантовая хромодинамика). На их основе была построена Стандартная Модель элементарных частиц, описывающая электромагнитное, слабые и сильное взаимодействия. Экспериментальная проверка Стандартной Модели заключается в обнаружении предсказанных ею частиц и их свойств. В настоящий момент открыты все элементарные частицы Стандартной Модели, за исключением хиггсовского бозона. Таким образом, в настоящее время фундаментальные взаимодействия описываются двумя общепринятыми теориями: общей теорией относительности и Стандартной Моделью. Их объединения пока достичь не удалось из-за трудностей создания квантовой теории гравитации. Для дальнейшего объединения фундаментальных взаимодействий используются различные подходы: теории струн, петлевая квантовая гравитация, а также М-теория. 22. Принцип близкодействия; дальнодействия. • близкодействие - непосредственный контакт или передача взаимодействия с помощью посредника, несущего в себе импульс, например, обмен, когда один человек бросает другому тяжелый предмет, оба ощущают отдачу; скорость изменения импульса и будет силой; • дальнодействие - передача взаимодействия через разделяющее тела пространство без материальных посредников. Ньютон был противником концепции дальнодействия, однако наличие в природе таких явлений, как гравитация, электричество и магнетизм, не укладывалось в концепцию близкодействия. Поэтому об их природе Ньютон предпочитал не рассуждать, оставляя эту проблему на долю потомков. Долгое время считалось, что абсолютное пространство заполнено особого рода средой - эфиром. Именно волны в эфире передают взаимодействие от одних тел к другим, подобно тому, как волны на поверхности воды приводят в движение поплавок. И действительно, например, такое "дальнодействующее" явление, как свет, явно обнаруживает в опытах волновые свойства, аналогичные тем, которые характерны для любых волновых процессов (дифракция и интерференция). Позднее из работ Максвелла стало понятно, что свет является частным случаем проявления электромагнетизма. Он же впервые ввел понятие электромагнитного поля, как особого состояния пространства, которое содержит в себе и окружает тела, находящиеся в электрическом и магнитном состояниях. Впервые прозвучало, что поле - это характеристика самого пространства, которое может оказывать силовое влияние на тела, помещенные в него. В средние века открытое Фалесом странное явление тщательно изучал придворный медик английской королевы Елизаветы I Уильям Гильберт, который обнаружил, что способность электризоваться, присуща и многим другим веществам. Работы Фарадея навели на мысль, что электричество скрыто в атоме, но существование электрона было твердо установлено только в 90-е годы 19-го века после того, как Дж. Дж. Томсон открыл "катодные лучи". Как и электричество, магнетизм в природе обнаружили древние греки. Примерно к 600 г. до н. э. им были известны свойства магнитного железняка (оксида железа); как обнаружилось, его куски могут действовать друг на друга на расстоянии. К концу XVI в. европейские ученые начали постигать истинную природу магнетизма. Гильберт доказал, что Земля ведет себя как большой магнит, свойства которого весьма напоминают свойства построенной им модели - шара из магнитного железняка. Как электрическое и гравитационное взаимодействия, взаимодействие магнитных полюсов подчиняется закону обратных квадратов. Следовательно, электрическая и магнитная силы "дальнодействующие", и их действие ощутимо на больших расстояниях от источника. В начале XIX в. выяснилось, что между электричеством и магнетизмом существует глубокая связь. Датский физик Ханс Кристиан Эрстед открыл, что электрический ток создает вокруг себя магнитное поле, тогда как Майкл Фарадей показал, что переменное магнитное поле индуцирует в проводнике электрический ток. Решающий шаг в познании электромагнетизма сделал в 50-х годах XIX в. Джеймс Клерк Максвелл, объединивший электричество и магнетизм в единой системе уравнений теории электромагнетизма - первой единой теории поля - невидимого воздействия, создаваемого материей, простирающегося далеко в пространство и способного влиять на электрически заряженные частицы, электрические токи и магниты. 23. Принцип суперпозиции, неопределенности, дополнительности. Принцип суперпозиции — один из самых общих законов во многих разделах физики. В самой простой формулировке принцип суперпозиции гласит: • результат воздействия на частицу нескольких внешних сил есть просто сумма результатов воздействия каждой из сил. Наиболее известен принцип суперпозиции в электростатике, в которой он утверждает, что электростатический потенциал, создаваемый в данной точке системой зарядов, есть сумма потенциалов отдельных зарядов. Принцип суперпозиции может принимать и иные формулировки, которые, подчеркнём, полностью эквивалентны приведённой выше: • Взаимодействие между двумя частицами не изменяется при внесении третьей частицы, также взаимодействующей с первыми двумя; • Энергия взаимодействия всех частиц в многочастичной системе есть просто сумма энергий парных взаимодействий между всеми возможными парами частиц. В системе нет многочастичных взаимодействий. • Уравнения, описывающие поведение многочастичной системы, являются линейными по количеству частиц. Именно линейность фундаментальной теории в рассматриваемой области физики есть причина возникновения в ней принципа суперпозиции. В квантовой механике принцип неопределённости Гейзенбе́рга (или Га́йзенберга) устанавливает, что существует ненулевой предел для произведения дисперсий сопряжённых пар физических величин, характеризующих состояние системы. Принцип неопределённости обнаруживается также в классической теории измерений физических величин. Вернер Гейзенберг сформулировал принцип неопределённости в институте Нильса Бора в Копенгагене во время работы над математическими основами квантовой механики. В 1925 г. следуя работам Хендрика Крамерса, Гейзенберг развил матричную механику, заменившую существовавшую ранее на основе постулатов Бора версию квантовой механики. Он предположил, что квантовое движение отличается от классического, так что у электронов в атоме нет точно определённых орбит. Следовательно, для электрона уже нельзя точно сказать, где он находится в данное время и как быстро движется. Принцип дополнительности — один из важнейших принципов квантовой механики, сформулированный в 1927 году Нильсом Бором. Согласно этому принципу, для полного описания квантовомеханических явлений необходимо применять два взаимоисключающих («дополнительных») набора классических понятий, совокупность которых даёт исчерпывающую информацию об этих явлениях как о целостных. Например, дополнительными в квантовой механике являются пространственно-временная и энергетически-импульсная картины. Этот принцип получил широкое распространение. Его пытаются применять в психологии, биологии, этнографии, лингвистике и даже в литературе. 24. Теория относительности Энштейна. Теория относительности, созданная в 1905 г. Энштейном, стала результатом обобщения и синтеза классической механики Галилея-Ньютона и электродинамики Максвелла-Лоренца. Она описывает законы всех физических процессов при скоростях движения, близких к скорости света, но без учета поля тяготения. Создатель теории относительности сформулировал обобщенный принцип относительности, который теперь распространяется и на электромагнитные явления, в том числе и на движение света. Этот принцип гласит, что никакими физическими опытами(механическими и электромагнитными) производимыми внутри данной системы отсчета, нельзя установить различие между состояниями покоя и равномерного прямолинейного движения. Для того чтобы сообщить телу скорость, равную скорости света, требуется бесконечное количество энергии, и именно поэтому физически невозможно, чтобы какое-нибудь тело достигло этой скорости. Этот результат был подтвержден измерениями, которые проводились над электронами. Кинетическая энергия точечной массы растет быстрее, нежели квадрат ее скорости, и становится бесконечной для скорости, равной скорости света. Скорость света является предельной скоростью распространения материальных воздействий. Она не может складываться ни с какой скоростью и для всех инерциальных систем оказывается постоянной. Все движущиеся тела на Землю по отношению к скорости света имеют скорость, равную нулю. Из этих двух принципов –постоянства скорости света и расширенного принципа относительности Галилея – математически следуют все положения специальной теории относительности. В общей теории относительности или теории тяготения, Энштейн расширяет принцип относительности, распространяя его на неинерциальные системы. В ней он также исходит из экспериментального факта эквивалентности масс инерционных и гравитационных, или эквивалентности инерционных и гравитационных полей. В общей теории относительности Энштейн доказал, что структура пространства – времени определяется распределением масс материи. Когда корреспондент американской газеты спросил Энштейна, в чем суть теории относительности, он ответил: «Суть такова: раньше считали, что если каким-нибудь чудом все материальные вещи исчезли бы вдруг, то пространство и время остались бы. Согласно же теории относительности вместе с вещами исчезли бы и пространство, и время. |