Казанский федеральный университет институт физики кафедра вычислительной физики и моделирования физических процессовВ. М. Бердникова
 Скачать 1.21 Mb.
|
|
Естествознание XX века В последние годы XIX столетия и первые десятилетия XX века был сделан целый " каскад" научных открытий. В 1896 г. франц. физик Антуан Анри Беккерель (1852-1908) открыл явление самопроизвольного излучения урановой соли. В его исследования включились французские физики супруги Пьер Кюри (1859-1906) и Мария Складовская – Кюри (1867-1934). Они открыли новые элементы способные излучать "беккерелевы лучи" - полоний и радий. Это свойство назвали радиоактивностью. В 1898г. английский физик Джозеф Джон Томсон (1856-1940) открыл первую элементарную частицу – электрон. 11 Н.Бор совместно с англ. химиком Фредериком Содди (18778-1956) провел серьезное изучение радиоактивности и дали трактовку радиоактивного распада как процесса превращения химических элементов из одних в другие. В 1905г. мало кому известным тогда мыслителем Альбертом Эйнштейном (1879-1955) была создана специальная теория относительности. Суть которой он выразил в такой фразе: "Раньше полагали, что если бы из Вселенной исчезла вся материя, то и пространство и время сохранились бы, теория относительности утверждает, что вместе с материей исчезли бы также пространство и время". В1905г. Эйнштейн обосновал природу фотоэффекта. В 1924г. произошло крупное событие в истории физики франц. ученый Луи де Бройль (1892-1981) выдвинул идею о волновых свойствах микрочастиц, которую подтвердили в 1927 г. амер. Физики Клинтон Дэвиссон (1881-1958) и Лестер Джермер (1896-1971). Они наблюдали дифракцию электронов в эксперименте. Таким образом, был принят корпускулярно-волновой дуализм материи. Непригодность законов классической механики в микромире установил нем. физик Вернер Гейзенберг (1901-1976). Новые явления и процессы, имевшие место в развитии естествознания и техники в I половине XX в., получили наименование научно-технической революции (НТР). Развивающаяся быстрыми темпами промышленность требовала новых технологий, в основе которых лежит естественнонаучное знание. Мощным стимулом для развития науки и техники были мировые войны, экономическое и военное противостояние двух военно-политических блоков. В XX веке наука изменяет не только сферу производства, но и быт. Радио, телевидение, компьютеры становятся обиходными вещами, так же как одежда из синтетических тканей, стиральные порошки лекарства и т.д. В области физики исследования ведутся в трех направлениях: микрофизика, макрофизика и астрофизика. В 1932г. Дж.Чедвик открыл нейтрон. Очень скоро после этого К. Андерсон открыл другую элементарную частицу – позитрон, а Юкава в 1935г. – промежуточную частицу – мезон. Дальнейшее изучение действия нейтронов на ядро с 1932 по 1938 г., которыми занимались многие ученые: Кюри, Ферми, Ган, Штрассман, привели к открытию цепных реакций, созданию атомной бомбы и ядерного реактора. Советский физик И.В. Курчатов с 1933 г. занимался ядерной физикой, в частности разработкой установки управляемого термоядерного синтеза, названного "Токамак" (тороидальная камера с магнитным полем). В области астрофизики открытие спектроскопии в XIX в. положило начало изучению внутренней структуры небесных тел на основе исследования излучаемого ими света. В области электроники достигнуты большие практические успехи. Развитие электроники началось в конце XIX- начале XX века. В 1895 г. русский инженер А.С. Попов впервые использовал электромагнитные волны для беспроволочной связи. Примерно через год этот опыт повторил итальянский техник Г.Маркони, пославший радиосигналы через Атлантический океан. Это 12 означало, что в атмосфере должно существовать подобие зеркала, отражающего радиоволны обратно на землю. Так была открыта ионосфера (Э. Эпплатон). Настоящей революцией в области связи стало создание электронной лампы, которая нашла широкое применение в радиоаппаратуре и ЭВМ первого поколения. Первая ЭВМ была создана в 1945г. в Пенсельванском университете под руководством Дж. Маучли. Ее название ЭНИАК. Она занимала зал длиной 30м. За 20 последних лет столетия в области создания компьютеров произошел фантастический прогресс. В 1976 г. создан персональный компьютер. Японская фирма "Сансори ЛТД" создала первые образцы биочипов - микросхем, выполняющих функции электронной памяти на основе искусственно выращенных белковых структур. В последние десятилетия ведутся активные исследования по проблеме искусственного интеллекта, но это не только техническая, но и философская и гуманитарная проблема. Основные задачи неорганической химии: изучение строения соединений; методы синтеза и глубокой очистки веществ; каталитическое ускорение или замедление неорганических реакций. Неорганические соединения применяются как конструкционные материалы для всех отраслей промышленности, как удобрения и кормовые добавки, ядерное и ракетное топливо, лекарства. Огромное значение приобрела химия полимеров. Это получение каучука (С.В.Лебедев, 1910г.), "найлона"(У.Карозерс ,1936г.), тефлона (Р.Плакет, 1938г.) В1963г. В. Виньо синтезировал инсулин. Вершиной достижений органичекой химии в генной инженерии явился первый синтез активного гена (Х.Корана,1976г.). ХХ век является продолжением прогресса в области биологии. В1900 г. были открыты законы наследственности (Мендель). В 1909г. введено понятие "ген" как единица наследственного материала (В.Л.Иогансон) Американский ученый Морган сформулировал хромосомную теорию наследственности. В 1953г. была расшифрована молекула ДНК (Ф. Крик, Д. Уотсон). В1981г. процесс выделения генов и получения из них различных цепей был автоматизирован. Генная инженерия в сочетании с микроэлектроникой предвещает возможности управлять живой материей почти так же как неживой. Одним из самых выдающихся научных открытий ХХ века стала расшифровка генетического кода. Научные представления о генетическом коде были сформулированы Г.А. Гамовым (1954г.). В 1961-1966 г. генетический код расшифрован в прямом эксперименте. В результате заложены основы новой науки названной "геномикой". Так, например, изучение геномов растений, их метаболизма в будущем позволит получить растения с заранее выбранными свойствами в отношении их питательной ценности. 5. Естествознание XXI века Выше мы рассмотрели XX век и его открытия, в корне изменившие наш мир, однако даже сейчас человечество в плане развития технологий и 13 прогресса, видит лишь верхушку айсберга. Это несмотря на то, что в нашем столетии знания человечества удваиваются каждые 5-7 лет! Приведём список наиболее значимых научных открытий 21 века. Первую позицию занимает открытие значимость которого для современной физики колоссальна, это открытие учеными «частицы-бога» или, как ее обычно называют – бозон Хиггса. По сути, открытие этой частицы объясняет причину возникновения массы у других элементарных частиц. Еще в 1964 году Питер Хиггс, в честь которого названа частица, предсказывал ее существование, однако практически доказать это не было возможности. И только 26 апреля 2011 года, по просторам интернета волной прошла новость о том, что с помощью Большого андронного коллайдера, находящегося рядом с Женевой, ученым, наконец, удалось обнаружить искомую и ставшую чуть ли не легендарной частицу. Однако учеными это не сразу подтвердилось и лишь в июне 2012 года специалисты заявили о своей находке. Впрочем, к окончательному выводу пришли лишь в марте 2013 года, когда ученые ЦЕРН сделали заявление о том, что обнаруженная частица действительно является бозоном Хиггса. Не смотря на то, что открытие этой частицы стало знаковым для научного мира, практическое ее использование на данном этапе развития остается под вопросом. Сам Питер Хиггс комментируя возможность использования бозона сказал следующее «Существование бозона длится лишь что-то около одной квинтиллионной доли секунды, и мне сложно представить, как столько короткоживущую частицу можно использовать. Частицы, которые живут миллионную долю секунды, сейчас, впрочем, находят применение в медицине». Так, в свое время, известный английский физик-экспериментатор, на вопрос о пользе и практическом применении открытой им магнитной индукции сказал «А какая польза может быть от новорожденного ребенка?» и этим, пожалуй, закрыл данную тему. Вторую позицию среди самых интересных, перспективных и амбициозных проектов человечества в XXI веке занимает расшифровка генома человека. Проект «Геном человека» не зря имеет славу самого важного проекта в сфере биологических исследований, а работа над ним началась еще в 1990 году, хотя стоит упомянуть о том, что данный вопрос рассматривался и в 80-ых годах XX века. Цель проекта была ясна – изначально планировалось определение последовательности более трех миллиардов нуклеотидов (нуклеотиды составляют ДНК), а так же определить более 20 тысяч генов в геноме человека. Впрочем, позже, несколько исследовательских групп расширили задачу. Стоит так же отметить, что исследование, завершившееся в 2006 году, израсходовало $3 млрд. Этапы проекта можно разбить на несколько частей: 1990-ый год. Конгресс США выделяет средства на изучение генома человека. 14 1995-ый год. Публикуется первая полная последовательность ДНК живого организма. Рассматривалась бактерия Haemophilus influenzae 1998-ой год. Публикуется первая последовательность ДНК многоклеточного организма. Рассматривался плоский червь Caenorhabditis elegans. 1999-ый год. На данном этапе расшифровано более двух десятков геномов. 2000-ый год. Было объявлено о «первой сборке генома человека» — первая реконструкция генома человека. 2001-ый год. Первый набросок генома человека. 2003-ий год. Полная расшифровка ДНК, остается расшифровать первую хромосому человека. 2006-ой год. Последний этап работы по расшифровке полного генома человека. Несмотря на то, что ученые всего мира строили грандиозные планы на момент окончания проекта, ожидания не совсем оправдались. На данный момент научная общественность признала проект провальным по своей сути, однако говорить, что он был абсолютно бесполезен ни в коем случае нельзя. Новые данные позволили ускорить темпы развития, как медицины, так и биотехнологии. И третью, последнюю позицию в сегодняшнем перечне занимает … Собственно, третья позиция останется свободной. Это не говорит о том, что больше никаких важных и интересных открытий не произошло – напротив, открытий и достижений в области науки более чем достаточно, однако определиться, какое именно из них достойно стоять на этой позиции мы предоставим вам. Так, например, кто-то может считать, что открытие воды на Марсе является отличным поводом объявить это достижение кандидатом на роль бронзового призера, иные же не согласятся и заявят, что получение нового материала – графена, куда более значимое событие, кто-то назовёт достижения в нанотехнологиях или открытия экзопланет. Так или иначе, каждый имеет право на свое мнение, чтобы иметь своё мнение по данному вопросу возможно вам захочется самостоятельно ознакомиться с другими многочисленными достижениями естественных наук нашего времени. Вопросы для самоконтроля: 1. Назовите характерные черты античного естествознания. Можно ли утверждать, что все естественные науки образовались в это время? Ответ обоснуйте. 2. Опишите в целом характер развития естествознания в средние века. Верно ли то, что в этот период естествознание претерпевало полный упадок? Ответ обоснуйте. 3. Каковы особенности развития естествознания эпохи возрождения и нового времени? Стал ли этот период "эпохой возрождения в естествознании"? Ответ обоснуйте. 15 4. Коротко охарактеризуйте развитие естествознания в XX веке. Верно ли утверждение о том, что за XX век было сделано больше значимых открытий, чем за какой либо предшествующий период? Ответ обоснуйте. 5. Какие на ваш взгляд самые важные открытия были сделаны в начавшемся XXI веке? 6. Раскройте суть научных революций в естествознании. Лекция №2 Пространство, время. Специальная и общая теории относительности Аннотация. Данная тема раскрывает эволюцию представлений о пространстве и времени, а также основные понятия теории относительности. Ключевые слова: пространство, время, однородность, изотропность, анизотропия, релятивизм, мировой эфир, опыт Майкельсона-Морли, принцип относительности, релятивистские эффекты, инерциальные системы отсчёта, скорость света в вакууме, гравитация, перигелий, инвариантность, принцип эквивалентности. Методические рекомендации по изучению темы: Следует внимательно ознакомиться с материалом лекции, после чего необходимо выполнить закрепление материала, отвечая на предлагаемые вопросы для самопроверки. Для каждой темы приведён список литературы, который поможет вам при необходимости более детально изучить данную тему. Глоссарий по теме лекции №2: Гравитация - (притяжение, всемиирное тяготение, тяготение) — универсальное фундаментальное взаимодействие между всеми материальными телами. Изотропность - одинаковость физических свойств во всех направлениях, инвариантность, симметрия по отношению к выбору направления (в противоположность анизотропии. Мировой эфир - световой эфир, гипотетическая всепроникающая среда, которой, по научным представлениям прошлых столетий, приписывалась роль переносчика света и вообще электромагнитных взаимодействий. Общая теория относительности - (ОТО), современная физ. теория пр- ва, времени и тяготения; окончательно сформулирована А. Эйнштейном в 1915. В основе ОТО лежит экспериментальный факт равенства инертной массы (входящей во второй закон Ньютона) и гравитационной массы (входящей в закон тяготения) для любого тела, приводящий к эквивалентности принципу. Равенство инертной и гравитационной масс проявляется в том, что движение тела в поле тяготения не зависит от его массы. Это позволяет ОТО трактовать тяготение как искривление пространственно-временного континуума. Т. о., ОТО является теорией тяготения, построенной на основе теории относительности. Однородность - тождественность объекта, множества объектов во всей области определения, например, 16 1) однородность пространства — тождественность всех его точек, отсутствие выделенных точек в нем; 2) однородность времени — тождественность всех временных точек (мгновений времени) на временной оси. Следствием однородности пространства является, согласно Нетер теореме, закон сохранения импульса, а однородности времени — закон сохранения энергии. Перигелий - ближайшая к Солнцу точка орбиты небесного тела, обращающегося вокруг него. Расстояние в перигелии между центрами Земли и Солнца равно 147 млн. км. Релятивистские эффекты - физ. явления, наблюдаемые при скоростях тел (частиц) v, сравнимых со скоростью света с. К ним относятся: релятивистское сокращение продольных (в направлении движения тела) длин, релятивистские замедление времени, увеличение массы тела с ростом его энергии и т. п., рассматриваемые в частной (специальной) относительности теории. Релятивистскими наз. также эффекты общей теории относительности (релятивистской теории тяготения), напр. эффект замедления течения времени в сильном гравитационном поле. Специальная теория относительности - (СТО) физическая теория пространства и времени, рассматривающая как меняются свойства пространства и времени (релятивистские эффекты) для тела движущегося со скоростью v. Чем ближе v к скорости света c, тем сильнее проявляются предсказания теории. Рекомендуемые источники литературы: 1. Нефедьев Ю.А. Естественнонаучная картина мира. Часть 1.: [электронный ресурс] // В.С. Боровских, А.И. Галеев, С.А. Дёмин, О.Ю. Панищев, А.Р. Камалеева, В.М. Бердникова. Казань, 2012. URL: http://www.kpfu.ru/docs/F2109597418/%CA%D1%C5_1.pdf; 2. http://studopedia.net; 3. http://biofile.ru; 4. http://nplit.ru; 5. http://fizmat.by; 6. http://mathus.ru/phys/relativity.pdf; 7. http://poiskknig.ru; 8. http://elementy.ru; 9. http://dic.academic.ru; 10.http://ru.wikipedia.org. Концепции времени и пространства. Время и пространство – это формы существования и движения материи. Самые первые представления о пространстве и времени относятся к древним векам, тогда были даны их субъективные определения. 17 Время выражает порядок смены физических состояний материальных тел, поэтому время универсально и объективно вне зависимости от человека. Субъективно то, что можно измерить с помощью часов. В качестве отсчета может быть принят любой циклический процесс, например, вращение Земли. Постулат времени: одинаковые во всех отношениях явления происходят за одинаковое время. Эталон точности на данный момент составляет 10 -11 с. В классической механике Ньютон создал понятие истинного (абсолютного) времени, или математическое время - это время, которое течёт равномерно и не зависит от каких-либо физических процессов. По Эйнштейну время относительно. Согласно его теории относительности: существует релятивистское замедление времени при скоростях, близких к скорости света и гравитационное замедление времени (внутри чёрной дыры время останавливается). По Ньютону время является обратимым, по современным представлениям время необратимо, относительно и одномерно и однородно. В пространстве физические тела занимают объем и движутся друг относительно друга. Пространство выражает порядок сосуществования физических тел. В классической механике пространство, время и материя не связаны друг с другом. В релятивистской механике пространство и время объединены в пространственно-временной континуум. Специальная теория относительности (1905) показала, что не абсолютного пространства и абсолютного времени, все они относительны какой-либо системы отсчета. Общая теория относительности (1915) показала, что евклидова геометрия непригодна для описания тел с большими массами и размерами. Пространство относительно, трёхмерно, однородно и изотропно. По современным представлениям время и пространство не могут существовать отдельно друг от друга и материи. Специальная теория относительности (СТО) В классической механике при переходе от одной системы к другой время течёт одинаково для обеих систем, и события происходят одновременно. Для макромира это правильно, для мегамира нельзя пренебрегать задержкой времени. Скорость света (константа) является ограничительным фактором. Эйнштейн все свои вычисления основывает на постоянстве скорости света в вакууме с≈3∙10 8 м/с. Поэтому время в СТО относительно системы отсчета. СТО была сформулирована Эйнштейном в 1905 г., математический аппарат теории был создан Лоренцом и Пуанкаре. Основу СТО составляют два постулата (принципа) Эйнштейна: 1. Принцип относительности (первый постулат Эйнштейна, являющийся обобщением принципа Галилея на все физические процессы): все физические процессы во всех инерциальных системах отсчета протекают одинаково. Всякая система отсчета, покоящаяся или 18 движущаяся равномерно и прямолинейно относительно инерциальной системы отсчета, также является инерциальной (т.е. все инерциальные системы отсчета равноправны). Сформулируем этот принцип и в другом эквивалентном виде: законы природы инвариантны во всех инерциальных системах отсчета. 2. Принцип инвариантности (постоянства) скорости света (второй постулат Эйнштейна): скорость света в вакууме постоянна во всех инерциальных системах отсчета и не зависит от движения источников и приемников света. Принцип постоянства скорости света был впервые подтвержден в опытах Майкельсона-Морли. Сами авторы этим опытом пытались подтвердить или опровергнуть существование мирового эфира. Мировой эфир представлялся как механическая среда, (невидимая невесомая субстанция) передающая «толчок» действия от одной точки к другой, т.е. передающая волновой процесс распространения света. В экспериментах Майкельсона-Морли сравнивались скорости света при направлении луча света вдоль и поперек орбитального движения Земли. Разницы при этом обнаружено не было, что указывает на постоянство скорости света, независимо от того, в какой инерциальной системе отсчета рассматривается распространение света, а такжена отсутствие эфира. Релятивистские эффекты СТО. Это эффекты связанные с изменением пространства и времени для движущегося тела относительно состояния покоя. Степень проявления этих эффектов зависит от величины скорости, чем она выше, тем заметнее предсказания СТО. Такие эффекты максимально проявляются при скоростях близких к скорости света и потому объясняют невозможность достижения скорости света каким либо телом, имеющим массу. В то же время при скоростях малых весьма несущественны и могут быть сведены к нулю. К основным релятивистским эффектам относятся: 1. Замедление времени В движущейся системе время течёт медленнее по сравнению с неподвижной системой. Если бы тело двигалось со скоростью света, то время для него бы остановилось. 2 2 01 02 0 1 c v t t t t t 0 – промежуток времени покоящегося тела. Промежуток времени движущегося тела: 1 2 t t t 2. Сокращение длины 19 m m 0 c v Масса покоя Линейные размеры движущегося тела уменьшаются, по сравнению с его размерами в состоянии покоя. Если бы тело могло бы двигаться со скоростью света, то оно должно было бы иметь нулевой размер, т.е. исчезнуть для наблюдателя. 2 2 0 1 c v l l 3. Увеличение инертной массы Движущееся тело имеет большую инертную массу по сравнению с состоянием покоя. 2 2 0 1 c v m m Ни одно материальное тело, имеющее массу покоя, не может двигаться со скоростью света, так как его масса в этом случае должна была бы стать бесконечной. 4. Эквивалентность энергии и массы. Это физическая концепция теории относительности, согласно которой полная энергия физического объекта (физической системы, тела) равна его (её) массе, умноженной на размерный множитель квадрата скорости света в вакууме: E=mc 2 - энергия движущегося тела, где m - масса движущегося тела, c=299 792 458 м/с (скорость света в вакууме). E 0 =m 0 c 2 - энергия покоящегося тела и m 0 - масса покоя. E=mc 2 - разница энергий движущегося и покоящегося тела, m - разница масс. 20 Любое тело обладает энергией уже только благодаря факту своего существования, и эта энергия, называемая собственной энергией тела, равна произведению массы тела на квадрат скорости света в вакууме Собственную энергию тела иначе называют энергией покоя. В нее не входят ни кинетическая энергия тела, ни его потенциальная энергия во внешнем поле. Из закона взаимосвязи массы и энергии следует, что если покоящемуся телу сообщить некоторую энергию, то его масса изменится. Однако в обычных макроскопических процессах, с которыми мы имеем дело в жизни и технике, изменения массы, обусловленные изменением энергии тел, чрезвычайно малы. 5. Сохранение причинно-следственной связи между событиями. В СТО показано, что нельзя передать воздействие (свет, информацию и т.д.) со скоростью, превышающей скорость света, а это делает невозможным нарушение причинно-следственных связей (т.к. именно передача воздействия со сверхсветовой скоростью привела бы к нарушению причинно-следственных связей между событиями). Т.е. последовательность происходящих событий не зависит от того в какой из инерциальных систем они происходят и в какой из них находится наблюдатель, неодновременные события происходят в строгом порядке. 6. Относительность одновременности двух событий. Если два разнесённых в пространстве события (например, вспышки света) происходят одновременно в движущейся системе отсчёта, то они будут неодновременны относительно «неподвижной» системы, так как скорость света - предельная скорость. |