Структурные уровни организации материи: концепции микро-, макро- и мегамиров icon

Структурные уровни организации материи: концепции микро-, макро- и мегамиров



НазваниеСтруктурные уровни организации материи: концепции микро-, макро- и мегамиров
Дата конвертации29.07.2012
Размер309.91 Kb.
ТипРеферат
Структурные уровни организации материи: концепции микро-, макро- и мегамиров


1.ВВЕДЕНИЕ Естественные науки, начав изучение материального мира с наиболее простыхнепосредственно воспринимаемых человеком материальных объектов, переходятдалее к изучению сложнейших объектов глубинных структур материи, выходящихза пределы человеческого восприятия и несоизмеримых с объектамиповседневного опыта. Применяя системный подход, естествознание не простовыделяет типы материальных систем, а раскрывает их связь и соотношение. В науке выделяются три уровня строения материи: . Макромир мир макрообъектов, размерность которых соотносима с масштабами человеческого опыта: пространственные величины выражаются в миллиметрах, сантиметрах и километрах, а время — в секундах, минутах, часах, годах. . Микромир — мир предельно малых, непосредственно не наблюдаемых микрообъектов, пространственная разномерность которых исчисляется от десяти в минус восьмой степени до десяти в минус шестнадцатой степени см, а время жизни - от бесконечности до десяти в минус двадцать четвертой степени сек. . Мегамир — мир огромных космических масштабов и скоростей, расстояние в котором измеряется световыми годами, а время существования космических объектов — миллионами и миллиардами лет. И хотя на этих уровнях действуют свои специфические закономерности, микро-, макро- и мегамиры теснейшим образом взаимосвязаны. 2.МАКРОМИР: концепции классического естествознания. В истории изучения природы можно выделить два этапа: донаучный и научный.Донаучный, или натурфилософский, охватываем период oт античности достановления экспериментального естествознания в XVI—XVI1 вв. В этот периодучения о природе носили чисто натурфилософский характер, наблюдаемыеприродные явления объяснялись на основе умозрительных философскихпринципов. Наиболее значимой для последующего развития естественных наук былаконцепция дискретного строения материи — атомизм, согласно которому всетела состоят из атомов — мельчайших в мире частиц. Античный атомизм был первой теоретической программой объяснения целогокак суммы отдельных составляющих его частей. Исходными началами в атомизмевыступали атомы и пустота. Сущность протекания природных процессовобъяснилась на основе механического взаимодействия атомов, их притяжения иотталкивания. Механическая программа описания природы, впервые выдвинутая вантичном атомизме, наиболее полно реализовалась в классической механике, состановления которой начинается научный этап изучения природы. Поскольку современные научные представления о структурных уровняхорганизации материи были выработаны в ходе критического переосмысленияпредставлений классической науки, применимых только к объектам макроуровня,то начинать исследование нужно с концепций классической физики. Формирование научных взглядов на строение материи относится к XVI в.,когда Г. Галилеем была заложена основа первой в истории науки физическойкартины мира — механической. Он не просто обосновал гелиоцентрическуюсистему Н.
Коперника и открыл закон инерции, а разработал методологиюнового способа описания природы — научно-теоретического. Суть егозаключалась в том, что выделялись только некоторые физические игеометрические характеристики, которые становились предметом научногоисследования. Выделение отдельных характеристик объекта позволяло строитьтеоретические модели и проверять их в условиях научного эксперимента. Этаметодологическая концепция, впервые сформулированная Галилеем в труде"Пробирные весы", оказала решающее влияние на становление классическогоестествознания. И. Ньютон, опираясь на труды Галилея, разработал строгую научную теориюмеханики, описывающую и движение небесных тел, и движение земных объектоводними и теми же законами. Природа рассматривалась как сложная механическаясистема. В рамках механической картины мира, разработанной И. Ньютоном и егопоследователями, сложилась дискретная (корпускулярная) модель реальностиМатерия рассматривалась как вещественная субстанция, состоящая из отдельныхчастиц — атомов или корпускул. Атомы абсолютно прочны, неделимы,непроницаемы, характеризуются наличием массы и веса. Существеннойхарактеристикой ньютоновского мира было трехмерное пространство евклидовойгеометрии, которое абсолютно постоянно и всегда пребывает в покое. Времяпредставлялось как величина, не зависящая ни от пространства, ни отматерии. Философское обоснование механическому пониманию природы дал Р. Декарт сего концепцией абсолютной дуальности (независимости) мышления и материи, изкоторой следовало, что мир можно описать совершенно объективно, без учетачеловека-наблюдателя. Это убеждение, глубоко созвучное взглядам Ньютона, надесятилетия вперед определило направленность развития естественных наук. Итогом ньютоновской картины мира явился образ Вселенной как гигантского иполностью детерминированного механизма, где события и процессы являют собойцепь взаимозависимых причин и следствий. Отсюда и вера в то, чтотеоретически можно точно реконструировать любую прошлую ситуацию воВселенной или предсказать будущее с абсолютной определенностью.И.Р.Пригожин назвал эту веру в безграничную предсказуемость"основополагающим мифом классической науки". Механистический подход к описанию природы оказался необычайноплодотворным. Вслед за ньютоновской механикой были созданы гидродинамика,теория упругости, механическая теория тепла, молекулярно-кинетическаятеория и целый ряд других, в русле которых физика достигла огромныхуспехов. Однако были две области — оптических и электромагнитных явлений,которые не могли быть полностью объяснены в рамках механистической картинымира. Разрабатывая оптику, И. Ньютон, следуя логике своего учения, считал светпотоком материальных частиц — корпускул. В корпускулярной теории света И.Ньютона утверждалось, что светящиеся тела излучают мельчайшие частицы,которые движутся в согласии с законами механики и вызывают ощущение света,попадая в глаз. На базе этой теории И. Ньютоном было дано объяснениезаконам отражения и преломления света. Наряду с механической корпускулярной теорией, осуществлялись попыткиобъяснить оптические явления принципиально иным путем, а именно на основеволновой теории, сформулированной X.Гюйгенсом. Волновая теорияустанавливала аналогию между распространением света и движением волн наповерхности воды или звуковых волн в воздухе. В ней предполагалось наличиеупругой среды, заполняющей все пространство, светоносного эфираРаспространение света рассматривалось как распространение колебаний эфира,каждая отдельная точка эфира колеблется в вертикальном направлении, аколебания всех точек создают картину волны, которая перемещается впространстве от одного момента времени к другому. Главным аргументом впользу своей теории X. Гюйгенс считал тот факт, что два луча света,пересекаясь, пронизывают друг друга без каких-либо помех в точности, какдва ряда волн на воде. Согласно же корпускулярной теории, между пучками изученных частиц,каковыми является свет, возникали бы столкновения или, по крайней мере,какие-либо возмущения. Исходя из волновой теории X. Гюйгенс успешнообъяснил отражение и преломление света. Однако против нее существовало одно важное возражение. Как известно,волны обтекают препятствия. А луч света, распространяясь по прямой,обтекать препятствия не может. Если на пути луча света поместитьнепрозрачное тело с резкой гранью, то его тень будет иметь резкую границу.Однако эго возражение вскоре было снято благодаря опытам Гримальди. Приболее тонком наблюдении с использованием увеличительных линзобнаруживалось, что на границах резких теней можно видеть слабые участкиосвещенности в форме перемежающихся светлых и темных полосок или ореолов.Это явление было названо дифракцией света. Именно открытие дифракциисделало X. Гюйгенса ревностным сторонником волновой теории света. Однакоавторитет И. Ньютона был настолько высок, что корпускулярная теориявоспринималась безоговорочно даже несмотря на то, что на ее основе нельзябыло объяснить явление дифракции Волновая теория света была вновь выдвинута в первые десятилетия XIX в.английским физиком Т. Юнгом и французским естествоиспытателем О.Ж.Френелем. Т.Юнг дал объяснение явлению интерференции, т.е. появлению темныхполосок при наложении света на свет. Суть ее можно описать с помощьюпарадоксального утверждения, свет, добавленный к свету, не обязательно даетболее сильный свет, но может давать более слабый и даже темноту. Причинаэтого заключается в том, что согласно волновой теории, свет представляетсобой не поток материальных частиц, а колебания упругой среды среды, иливолновое движение. При наложении друг на друга цепочек волн впротивоположных фазах, где гребень одной волны совмещается со впадинойдругой, они уничтожают друг друга, в результате чего появляются темныеполосы. Другой областью физики, где механические модели оказались неадекватными, была область электромагнитных явлений. Эксперименты английского естествоиспытателя М. Фарадея и теоретические работы английского физика Дж.К. Максвелла окончательно разрушили представления ньютоновской физики о дискретном веществе как единственном виде материи и положили начало электромагнитной картине мира. Явление электромагнетизма открыл датский естествоиспытатель Х.К. Эрстед, который впервые заметил магнитное действие электрических токов. Продолжая исследования в этом направлении, М.Фарадей обнаружил, что временное изменение в магнитных полях создает электрический ток. Осмысливая свои эксперименты, он ввел понятие "силовые линии". М.Фарадей, обладавший талантом экспериментатора и богатым воображением, с классической ясностью представлял себе действие электрических сил от точки к точке в их "силовом поле". На основе своего представления о силовых линиях он предположил, что существует глубокое родство электричества и света, и хотел построить и экспериментально обосновать новую оптику, в которой свет рассматривался бы как колебания силового поля. Эта мысль была необычайно смела для того времени, но она была достойна исследователя, который считал, что только тот находит великое, кто исследует маловероятное. Фарадей пришел к выводу, что учение об электричестве и оптикавзаимосвязаны и образуют единую пунктом исследований Дж.К. Максвелла,заслуга которого состоит в математической разработке идей М. Фарадея омагнетизме и электричестве. Используя высокоразвитые математические методы,Максвелл "перевел" модель силовых линий Фарадея в математическую формулу.Понятие "поле сил" первоначально складывалось как вспомогательноематематическое понятие. Дж.К. Максвелл придал ему физический смысл и сталрассматривать поле как самостоятельную физическую реальность."Электромагнитное поле — это та часть пространства, которая содержит в себеи окружает тела, находящиеся в электрическом или магнитном состоянии"1.Обобщив установленные ранее экспериментальным путем законы электромагнитныхявлений (Кулона, Ампера, Био-Савара) и открытое М. Фарадеем явлениеэлектромагнитной индукции, Максвелл чисто математическим путем нашелсистему дифференциальных уравнений, описывающих электромагнитное поле. Этасистема уравнений дает в пределах своей применимости полное описаниеэлектромагнитных явлений и представляет собой столь же совершенную илогически стройную теорию, как и система ньютоновской механики. Из уравнений следовал важнейший вывод о возможности самостоятельногосуществования поля, не "привязанного" к электрическим зарядам. Вдифференциальных уравнениях Максвелла вихри электрического и магнитногополей определяются производными по времени не от своих, а от чужих полей:электрическое — от магнитного и, наоборот, магнитное — от электрического.Поэтому если меняется со временем магнитное поле, то существует ипеременное электрическое поле, которое в свою очередь ведет к изменениюмагнитного поля. В результате происходит постоянное изменение векторовнапряженности электрического и магнитного полей, т.е. возникает переменноеэлектромагнитное поле, которое уже не привязано к заряду, а отрывается отнего, самостоятельно существуя и распространяясь в пространстве.Вычисленная им скорость распространения электромагнитного поля оказаласьравна скорости света. А исходя из этого Максвелл смог заключить, чтосветовые волны представляют собой электромагнитные волны. Единая сущностьсвета и электричества, которую М. Фарадей предположил в 1845 г., а Дж.К.Максвелл теоретически обосновал в 1862 г., была экспериментальноподтверждена немецким физиком Г. Герцом в 1888 г. В экспериментах Г. Герца в результате искровых разрядов между двумязаряженными шарами появлялись электромагнитные волны. Когда они падали накруговой проволочный виток, то создавали в нем токи, о появлении которыхсвидетельствовали искры, проскакивающие через разрыв. Г. Герц успешнопровел отражение этих волн и их интерференцию, т.е. те явления, которыехарактерны для световых волн, а затем измерил длину Максвелла. После экспериментов Г. Герца в физике окончательно электромагнитныхволн. Зная частоту колебаний, он смог подсчитать скорость распространенияэлектромагнитных волн, которая оказалась равна скорости света. Это прямоподтвердило гипотезу утвердилось понятие поля не в качестве вспомогательнойматематической конструкции, а как объективно существующей физическойреальности. Был открыт качественно новый, своеобразный вид материи. Итак, к концу XIX в. физика пришла к выводу, что материя существует вдвух видах: дискретного вещества и непрерывного поля. • Вещество и поле различаются как корпускулярные и волновые сущности: вещество дискретно и состоит из атомов, а поле непрерывно. • Вещество и поле различаются по своим физическим характеристикам: частицы вещества обладают массой покоя, а поле — нет. • Вещество и поле различаются по степени проницаемости: вещество мало проницаемо, а поле, наоборот, полностью проницаемо. • Скорость распространения поля равна скорости спета, а скорость движения частиц вещества меньше ее на много порядков.В результате революционных открытий в физике в конце прошлого и началенынешнего столетий обнаружилось, что физическая реальность едина и нетпропасти между веществом и полем: поле, подобно веществу, обладаеткорпускулярными свойствами, а частицы вещества, подобно полю, — волновыми.. 3.МИКРОМИР: концепции современной физики. 1)Фундаментальные открытия в области физики конца 19-начала 20 вв.В конце XIX — начале XX вв. физика вышла на уровень исследования микромира,для описания которого концептуальные построения классической физикиоказались непригодными. В результате научных открытий были опровергнуты представления об атомахкак о последних неделимых структурных элементах материи. История исследования строения атома началась в 1895 г. благодаря открытиюДж. Дж. Томсоном электрона — отрицательно заряженной частицы, входящей всостав всех атомов. Поскольку электроны имеют отрицательный заряд, а атом вцелом электрически нейтрален, то было сделано предположение о наличиипомимо электрона и положительно заряженной частицы. Опыты английскогофизика Э. Резерфорда с альфа-частицами привели его к выводу о том, что ватомах существуют ядра — положительно заряженные микрочастицы, размеркоторых (10~12 см) очень мал по сравнению с размерами атомов (10~8 см),но в которых почти полностью сосредоточена масса атомов. Кроме того, было обнаружено, что атомы одних элементов могут превращатьсяв атомы других в результате радиоактивности, впервые открытойфранцузским физиком А. А. Беккерелем Явление радиоактивности, окончательноопровергнувшее представление о неделимости и непревращаемости атома,заключается в самопроизвольном превращении неустойчивых ядер атомоврадиоактивных элементов в результате ядерных излучений. Вопросы радиоактивности различных элементов изучались французскимифизиками Пьером и Марией Кюри. Ими были открыты новые элементы — полоний ирадий, а также установлено, что в результате радиоактивного излучения атомрадиоактивного элемента превращается в атом другого элемента Открытиесложной структуры атома стало крупнейшим событием в физике, посколькуоказались опровергнутыми представления классической физики об атомах кактвердых и неделимых структурных единицах вещества. 2)Рождение и развитие представлений о квантах. При переходе к исследованию микромира оказалисьразрушенными и представления классической физики о веществе и поле как двухкачественно своеобразных видах материи. Изучая микрочастицы, ученыестолкнулись с парадоксальной, с точки зрения классической науки, ситуацией,одни и те же объекты обнаруживали как волновые, так и корпускулярныесвойства. Первый шаг в этом направлении был сделан немецким физиком М. Плавком. Впроцессе работы по исследованию теплового излучения, которую М. Планкназвал самой тяжелой в своей жизни, он пришел к ошеломляющему выводу о том,что в процессах излучения энергия может быть отдана или поглощена ненепрерывно и не в любых количествах, а лишь в известных неделимых порциях —квантах. Сумма энергий этих мельчайших порций энергии — квантовопределяется через число колебаний соответствующего вида излучения иуниверсальную естественную константу, которую М. Планк ввел в науку подсимволом h. E = Ну, ставшим впоследствии знаменитым (где hy — квантэнергии, у — частота). Если введение кванта еще не создало настоящей квантовой теории, какнеоднократно подчеркивал М Планк, то все же 14 декабря 1900 г., в деньопубликования формулы, был заложен ее фундамент. Поэтому в истории физикиэтот день считается днем рождения квантовой теории. А поскольку понятиеэлементарного кванта действия служило в дальнейшем основой для пониманиявсех свойств атомной оболочки и атомного ядра, то 14 декабря 1900 г.следует рассматривать как день рождения всей атомной физики иначало новой эры естествознания. Первым физиком, который восторженно принял открытие элементарногокванта действия и творчески развил его был А. Эйнштейн. В 1905 г. онперенес гениальную идею квантованного поглощения и отдачи энергии притепловом излучении на излучение вообще и таким образом обосновал новоеучение о свете. А. Эйнштейн предположил, что речь идет о естественнойзакономерности всеобщего характера. Не оглядываясь на господствующие воптике взгляды, он применил гипотезу Планка к свету и пришел к выводу, чтоследует признать корпускулярную структуру света. Квантовая теория света, или фотонная теория А.Эйнштейна, утверждала, чтосвет есть постоянно распространяющееся в мировом пространстве волновоеявление. И вместе с тем световая энергия, чтобы быть физически действенной,концентрируется лишь в определенных местах, поэтому свет имеет прерывнуюструктуру. Эйнштейновское представление о световых квантах помогло понять и нагляднопредставить явление фотоэлектрического эффекта, суть которого заключается ввыбивании электронов из вещества под действием электромагнитных волн.Эксперименты показали, что наличие или отсутствие фотоэффекта определяетсяне интенсивностью падающей волны, а ее частотой. Если предположить, чтокаждый электрон вырывается одним фотоном, то становится ясно следующее:эффект возникает лишь в том случае, если энергия фотона, а следовательно, иего частота достаточно велика для преодоления сил связи электрона свеществом. Правильность такого толкования фотоэлектрического эффекта (за эту работуЭйнштейн в 1922 г. получил Нобелевскую премию по физике) через 10 летполучила подтверждение в экспериментах американского физика Р.Э. Милликена.Открытое в 1923 г. американским физиком А.Х. Комптоном явление (эффектКомптона), которое отмечается при воздействии очень жесткими рентгеновскимилучами на атомы со свободными электронами, вновь и уже окончательноподтвердило квантовую теорию света. Возникла парадоксальная ситуация: обнаружилось, что свет ведет себя нетолько как волна, но и как поток корпускул. В опытах по дифракции иинтерференции проявляются его волновые свойства, а при фотоэффекте —корпускулярные. При этом фотон оказался корпускулой совершенно особогорода. Основная характеристика его дискретности — присущая ему порцияэнергии — вычислялась через чисто волновую характеристику — частоту у (Е=Ну). Как и все великие естественно-научные открытия, новое учение о светеимело фундаментальное теоретико-познавательное значение. Старое положение онепрерывности природных процессов, которое было основательно поколеблено М.Планком, Эйнштейн "отбросил" в гораздо более обширной области физическихявлений. Представление о квантах электромагнитного поля — фотонах — один изнаиболее фундаментальных вкладов в разработку квантовой теории. Уже поэтомуА. Эйнштейн должен рассматриваться как один из величайших ее создателей.Теория А. Эйнштейна, развивающая взгляды М. Планка, позволила Н. Боруразработать модель атома. 3)Теория атома Н.Бора. В1913 г. великий датский физик Н. Бор применил принцип квантованияпри решении вопроса о строении атома и характеристике атомныхспектров, устранив тем самым противоречия, которые возникали припланетарной модели атома Э. Резерфорда. Модель атома, предложеннаяРезерфордом в 1911 г., напоминала солнечную систему: в центре находитсяатомное ядро, а вокруг него но своим орбитам движутся электроны. Ядро имеетположительный заряд, а электроны — отрицательный. Вместо сил тяготения,действующего в Солнечной системе, в атоме действуют электрические силы.Электрический заряд ядра атома, численно равный порядковому номеру впериодической системе Менделеева, уравновешивается суммой зарядовэлектронов — атом электрически нейтрален. Неразрешимое противоречие этой модели заключалось в том, чтоэлектроны, чтобы не потерять устойчивость, должны двигаться вокруг ядра. Вто же время они, согласно законам электродинамики, обязательно должныизлучать электромагнитную энергию. Но в таком случае электроны очень быстропотеряли бы всю свою энергию и упали на ядро. Следующее противоречие связано с тем, что спектр излучения электронадолжен быть непрерывным, так как электрон, приближаясь к ядру, менял бысвою частоту. Опыт же показывает, что атомы излучают свет толькоопределенных частот. Именно поэтому атомные спектры называют линейчатыми.Другими словами, планетарная модель атома Резерфорда оказаласьнесовместимой с электродинамикой Дж. К. Максвелла. Модель атома Н. Бора, разрешавшая эти противоречия, базировалась напланетарной модели Э. Резерфорда и на разработанной им самим квантовойтеории строения атома. Н. Бор выдвинул гипотезу строения атома, основаннуюна двух постулатах, совершенно несовместимых с классической физикой: 1) в каждом атоме существует несколько стационарных состояний(говоря языком планетарной модели, несколько стационарных орбит)электронов, двигаясь по которым электрон может существовать, не излучая; 2) при переходе электрона из одного стационарного состояния вдругое атом излучает или поглощает порцию энергии. Постулаты Бора объясняют устойчивость атомов: находящиеся в стационарныхсостояниях электроны без внешней на то причины не излучают электромагнитнойэнергии. Теория атома Н. Бора позволяла дать точное описание атома водорода,состоящего из одного протона и одного электрона трудностями. Чем подробнеетеоретики пытались описать движение электронов в атоме, определить ихорбиты, тем большим было расхождение теоретических результатов сэкспериментальными данными. Как стало ясно в ходе развития квантовойтеории, эти расхождения главным образом были связаны с волновыми свойствамиэлектрона. Т.е., следует учитывать, что электрон не точка и не твердыйшарик, он обладает внутренней структурой, которая может изменяться взависимости от его состояния. При этом детали внутренней структурыэлектрона неизвестны. Следовательно, точно описать структуру атома на основании представленияоб орбитах точечных электронов принципиально невозможно, поскольку такихорбит в действительности не существует. Вследствие своей волновой природыэлектроны и их заряды как бы размазаны по атому, однако не равномерно, атаким образом, что в некоторых точках усредненная по времени электроннаяплотность заряда больше, а в других — меньше. Теория Н.Бора представляет собой как бы пограничную полосу первогоэтапа развития современной физики. Это последнее усилие описать структуруатома на основе классической физики, дополняя ее лишь небольшим числомновых предположений. Введенные Бором постулаты ясно показали, чтоклассическая физика не в состоянии объяснить даже самые простые опыты,связанные со структурой атома. Постулаты, чужеродные классической физике,нарушили ее цельность, но позволили объяснить лишь небольшой кругэкспериментальных данных. Со временем выяснилось, что атомную модель Н. Бора не следуетпонимать буквально, как это было вначале. Процессы в атоме, в принципе,нельзя наглядно представить в виде механических моделей по аналогии ссобытиями в макромире. Даже понятия пространства и времени в существующей вмакромире форме оказались неподходящими для описания микрофизическихявлений. Атом физиков-теоретиков все больше и больше становился абстрактно-ненаблюдаемой суммой уравнений. 4)Корпускулярно-волновой дуализм в современной физике. Представления А. Эйнштейна о квантах света, послужившие в 1913 г.отправным пунктом теории Н. Бора, через 10 лет снова оказали плодотворноевоздействие на развитие атомной физики. Они привели к идее о "волнахматерии" и тем самым заложили основу новой стадии развития квинтовойтеории. В 1924 г. произошло одно из величайших событий в истории физики:французский физик Л. де Бройль выдвинул идею о волновых свойствах материи.В своей работе "Свет и материя" он писал о необходимости использоватьволновые и корпускулярные представления не только в соответствии с учениемА. Эйнштейна в теории света, но также и в теории материи. Л. де Бройль утверждал, что волновые свойства, наряду с корпускулярными,присущи всем видам материи: электронам, протонам, атомам, молекулам и дажемакроскопическим телам. В 1926 г. австрийский физик Э. Шредингер нашел математическое уравнение,определяющее поведение волн материи, так называемое уравнение Шредингера.Английский физик П. Дирак обобщил его. Смелая мысль Л. де Бройля о всеобщем "дуализме" частицы и волны позволила построить теорию, с помощью которой можно было охватить свойства материи и света в их единстве. Кванты света становились при этом особым моментом всеобщего строения микромира. Волны материи, которые первоначально представлялись как наглядно-реальные волновые процессы по типу волн акустики, приняли абстрактно-математический облик и получили благодаря немецкому физику М. Борнусимволическое значение как "волны вероятности". Однако гипотеза де Бройля нуждалась в опытном подтверждении. Наиболееубедительным свидетельством существования волновых свойств материи сталообнаружение в 1927 г. дифракции электронов американскими физиками К.Дэвисоном и Л. Джермером. Корпускулярно-волновой дуализм в современной физике стал всеобщим. Любойматериальный объект характеризуется наличием как корпускулярных, так иволновых свойств. Тот факт, что один и тот же объект проявляется и как частица и как волна,разрушал традиционные представления. Форма частицы подразумевает сущность,заключенную в малом объеме или в конечной области пространства, тогда какволна распространяется по его огромным областям. В квантовой физике эти дваописания реальности являются взаимоисключающими, но равно необходимыми длятого, чтобы полностью описать рассматриваемые явления. Квантово-механическое описание микромира основывается на соотношениинеопределенностей, установленном немецким физиком В. Гейзенбергом, ипринципе дополнительности Н. Бора. В своей книге "Физика атомного ядра" В. Гейзенберг раскрывает содержаниесоотношения неопределенностей. Он пишет, что никогда нельзя одновременноточно знать оба параметра — координату и скорость. Никогда нельзяодновременно знать, где находится частица, как быстро и в каком направленииона движется. Если ставится эксперимент, который точно показывает, гдечастица находится в данный момент, то движение нарушается в такой степени,что частицу после этого невозможно найти. И наоборот, при точном измерениискорости нельзя определить место расположения частицы. С точки зрения классической механики, соотношение неопределенностейпредставляется абсурдом. Чтобы лучше оценить создавшееся положение, нужноиметь в виду, что мы, люди, живем в макромире и, в принципе, не можемпостроить наглядную модель, которая была бы адекватна микромиру.Соотношение неопределенностей есть выражение невозможности наблюдатьмикромир, не нарушая его. Любая попытка дать четкую картину микрофизическихпроцессов должна опираться либо на корпускулярное, либо на волновоетолкование. Фундаментальным принципом квантовой механики, наряду с соотношениемнеопределенностей, является принцип дополнительности, которому Н.Бор далследующую формулировку "Понятие частицы и волны дополняют друг друга и в тоже время противоречат друг другу, они являются дополняющими картинамипроисходящего". С теоретической точки зрения, микрообъекты, для которых существеннымявляется квант действия М. Планка, не могут, рассматриваться так же, какобъекты макромира, ведь для них планковская константа h из-за ее малойвеличины не имеет, значения. В микромире корпускулярная и волновая картинсами по себе не являются достаточными, как в мире больших тел. Обе"картины" законны, и противоречие между ними снять нельзя. Поэтомукорпускулярная и волновая картины должны дополнять одна другую, т.е. бытькомплементарными. Только при учете, обоих аспектов можно получить общуюкартину микромира. Согласно современным представлениям, структура элементарных частиц описывается посредством непрерывно возникающих и снова распадающихся "виртуальных" частиц. Например, мезон строится из виртуального нуклона и антинуклона, которые в процессе аннигиляции (лат. annihilatio, букв, уничтожение) непрерывно исчезают, а затем образуются снова. Формальное привлечение виртуальных частиц означает, что внутреннюю структуру элементарных частиц невозможно описать через другие частицы. Удовлетворительной теории происхождения и структуры элементарных частицпока нет. Многие ученые считают, что такую теорию можно создать только приучете космологических обстоятельств. Большое значение имеет исследованиерождения элементарных частиц из вакуума в сильных гравитационных иэлектромагнитных полях, поскольку здесь устанавливается связь микро- имегамиров. Фундаментальные взаимодействия во Вселенной, в мегамиреопределяют структуру элементарных частиц и их превращения. Очевидно,потребуется выработка новых понятий для адекватного описания структурыматериального мира. 4.МЕГАМИР: современные астрофизические и космологические концепции. Мегамир, или космос, современная наука рассматривает как взаимодействующуюи развивающуюся систему всех небесных тел. Мегамир имеет системнуюорганизацию в форме планет и планетных систем, возникающих вокруг звезд,звезд и звездных систем — галактик; системы галактик — Метагалактики. Материя во Вселенной представлена сконденсировавшимися космическими теламии диффузной материей. Диффузная материя существует в виде разобщенныхатомов и молекул, а также более плотных образований — гигантских облаковпыли и газа — газово-пылевых туманностей. Значительную долю материи воВселенной, наряду с диффузными образованиями, занимает материя в видеизлучения. Следовательно, космическое межзвездное пространство никоимобразом не пусто. 1)Звездная форма бытия космической материи. На современном этапе эволюции Вселенной вещество в ней находитсяпреимущественно в звездном состоянии. 97% вещества в нашей Галактикесосредоточено в звездах, представляющих собой гигантские плазменныеобразования различной величины, температуры, с разной характеристикойдвижения. У многих, если не у большинства других галактик, "звезднаясубстанция" составляет более чем 99,9% их массы. В недрах звезд при температуре порядка 10 млн град, и при очень высокойплотности атомы находятся в ионизированном состоянии: электроны почтиполностью или абсолютно все отделены от своих атомов. Оставшиеся ядравступают во взаимодействие друг с другом, благодаря чему водород, имеющийсяв изобилии в большинстве звезд, превращается при участии углерода в гелий.Эти и подобные ядерные превращения являются источником колоссальногоколичества энергии, уносимой излучением звезд. Звезды не существуют изолированно, а образуют системы. Простейшиезвездные системы — так называемые кратные системы, состоящие из двух, трех,четырех, пяти и больше звезд, обращающихся вокруг общего центра тяжести.Компоненты некоторых кратных систем окружены общей оболочкой диффузнойматерии, источником которой, по-видимому, являются сами звезды,выбрасывающие ее в пространство и виде мощного потока газа. Звезды объединены также в еще большие группы - звездныескопления, которые могут иметь "рассеянную" или "шаровую" структуру.Рассеянные звездные скопления насчитывают несколько сотен отельных звезд,шаровые скопления — многие сотни тысяч. Перечисленные звездные системы являются частями более общей системы — Галактики, включающей в себя помимо звезд и диффузную материю. По своей форме галактики разделяются на три основных типа: эллиптические, спиральные и неправильные. В неправильных галактиках наблюдаются вихревые движения газов и тенденция к вращению, вероятно, ведущие к образованию спиральных ветвей. В настоящее время астрономы насчитывают около 10 млрд галактик. Большинство галактик имеет эллиптическую или спиралевидную форму. Галактика, внутри которой расположена Солнечная система, является спиральной системой, состоящей приблизительно из 120 млрд звезд. Она имеет форму утолщенного диска. Наибольший диаметр равен 100 тыс. световых лет. Наша Галактика состоит из звезд и диффузной материи. Ее звезды разделяются различными способами на подсистемы. В ней насчитывается приблизительно 20 тыс. рассеянных и около 100 шаровых скоплений звезд. Кроме того, можно выделить звезды, концентрирующиеся в галактической плоскости и образующие плоскую систему и сферическую форму пространственного распределения звезд, образующую ядро галактики. По радиоастрономическим наблюдениям сделано заключение, что нашаГалактика имеет четыре спиральные ветви. Ближайшей галактической системойявляется туманность Андромеды, находящаяся от нас на расстоянии 2 700 000световых лет. Нашу Галактику и туманность Андромеды можно причислить ксамым большим из известных в настоящее время галактик. Галактики, как правило, встречаются в виде так называемых "облаков" или"скоплений галактик". Эти "облака" содержат до нескольких тысяч отдельныхсистем. Распределение галактик в пространстве указывает на существованиеопределенной упорядоченной системы — Метагалактики. Метагалактика, илисистема галактик, включает в себя все известные космические объекты. Для объяснения структуры мегамира наиболее важным являетсягравитационное взаимодействие. Всякое тело притягивает другое тело, но силагравитации, согласно закону всемирного тяготения, быстро уменьшается сувеличением расстояния между ними. В газово-пылевых туманностях поддействием сил гравитации происходит формирование неустойчивыхнеоднородностей, благодаря чему диффузная материя распадается на рядсгущений. Если такие сгущения сохраняются достаточно долго, то с течениемвремени они превращаются в звезды. Важно отметить, что происходит процессрождения не отдельной изолированной звезды, а звездных ассоциаций.Образовавшиеся газовые тела притягиваются друг к другу, но не обязательнообъединяются в одно громадное тело. Вместо этого они, как правило, начинаютвращаться относительно друг друга, и центробежная сила этого движенияпротиводействует силе притяжения, ведущей к дальнейшей концентрации. Звездыэволюционируют от протозвезд, гигантских газовых шаров, слабо светящихся ис низкой температурой, к звездам — плотным плазменным телам с температуройвнутри в миллионы градусов. Затем начинается процесс ядерных превращений,описываемый в ядерной физике. Основная эволюция вещества во Вселеннойпроисходила и происходит в недрах звезд. Именно там находится тот"плавильный тигель", который обусловил химическую эволюцию вещества воВселенной. Огромная энергия, излучаемая звездами, образуется в результате ядерныхпроцессов, происходящих внутри звезд. Ассоциации, или скопления звезд, также не являются неизменно или вечно существующими. Через определенное количество времени, исчисляемое миллионами лет, они рассеиваются силами галактического вращения. 2)Планеты. Особый теоретический, а также практическим интерес имеет для обитателей Земли вопрос о возникновении космических объектов, имеющих размеры планет. Отличительной чертой планетоподобных несветящихся тел являетсявеличина их массы. Все различия между звездами и планетами являютсяследствием различия их масс. Особенности планет как объектов мегамира можнопонять в рамках общего космогонического процесса, в силу которого вблизиопределенных звезд возникает система планет — вращающихся вокруг них темныхнебесных тел. Первые теории происхождения солнечной системы были выдвинуты немецким философом И. Кантом и французским математиком П.С. Лапласом. Их теории вошли в науку как некая коллективная космогоническая гипотеза Канта — Лапласа, хотя разрабатывались они независимо друг от друга. И. Кант выдвинул гипотезу, согласно которой перед образованием планетСолнечной системы пространство, где теперь она существует, было заполненорассеянной материей, находившейся во вращательном движении вокруг ужевозникшего в виде центрального сгущения Солнца. С течением временивследствие притяжения и отталкивания между частицами рассеянной материи(туманности) возникли планеты. И. Кант впервые выдвинул предположение, чтоСолнечная система не существовала вечно. Процесс ее возникновения онсвязывал с существованием сил взаимодействия, присущих частицам туманности.При этом гипотеза И. Канта не противоречила наблюдаемому расположению орбитпланет Солнечной системы приблизительно и одной плоскости и существованиюспутников. Приблизительно через 50 лет после этого П.С. Лаплас выдвинул своюгипотезу, во многом сходную с предположением И. Канта. Космогоническаягипотеза П.С. Лапласа основывалась на том, что Солнечная системаобразовалась из уже вращающейся газовой туманности. По теории И. Канта,Солнечная система также возникла из газовой туманности, но она не имелапредварительного вращения. В этом случае появлялась непреодолимаятрудность, невозможно было объяснить, как могло образоваться правильноевращательное движение небесных тел. Гипотеза П.С. Лапласа получила широкоепризнание в первой половине XIX в., но потом оказалось, что ряд фактов неукладывается в ее рамки. Например, нельзя объяснить, почему Солнце теперьвращается вокруг своей оси относительно медленно, хотя во время сжатия онодолжно было вращаться столь быстро, что от него за счет центробежной силыпроисходило бы отделение вещества. Началом следующего этапа в развитии взглядов на образование Солнечной системы послужила гипотеза английского физика и астрофизика Дж. X. Джинса. Он предположил, что когда-то Солнце столкнулось с другой звездой, в результате чего из него была вырвана струя газа, которая, сгущаясь, преобразовалась в планеты. Однако, учитывая огромное расстояние между звездами, такое столкновение кажется совершенно невероятным. Более детальный анализ выявил и другие недостатки этой теории. Современные концепции происхождения планет Солнечной системыосновываются на том, что нужно учитывать не только механические силы, но идругие, в частности электромагнитные. Эта идея была выдвинута шведскимфизиком и астрофизиком X. Альфвеном и английским астрофизиком Ф. Хойлом.Считается вероятным, что именно электромагнитные силы сыграли решающую рольпри зарождении Солнечной системы. Согласно современным представлениям,первоначальное газовое облако, из которого образовались и Солнце и планеты,состояло из ионизированного газа, подверженного влиянию электромагнитныхсил. После того как из огромного газового облака посредством концентрацииобразовалось Солнце, на очень большом расстоянии от него остались небольшиечасти этого облака. Гравитационная сила стала притягивать остатки газа кобразовавшейся звезде — Солнцу, но его магнитное поле остановило падающийгаз на различных расстояниях — как раз там где находятся планеты.Гравитационная и магнитные силы повлияли на концентрацию и сгущениепадающего газа, в результате чего образовались планеты. Когда возниклисамые крупные планеты, тот же процесс повторился в меньших масштабах,создав таким образом системы спутников. Теории происхождения Солнечнойсистемы носят гипотетический характер, и однозначно решить вопрос об ихдостоверности на современном этапе развития науки невозможно. Во всехсуществующих теориях имеются противоречия и неясные места. 3)Современные космологические модели Вселенной. Как указывалось в предыдущей главе, в классической науке существовалатак называемая теория стационарного состояния Вселенной, согласно которойВселенная всегда была почти такой же, как сейчас. Астрономия быластатичной: изучались движения планет и комет, описывались звезды,создавались их классификации, что было, конечно, очень важно. Но вопрос обэволюции Вселенной не ставился. Классическая ньютоновская космология явно или неявно принималаследующие постулаты: . Вселенная — это всесуществующая, "мир в целом". Космология познает мир таким, как он существует сам по себе, безотносительно к условиям познания. . Пространство и время Вселенной абсолютны, они не зависят от материальных объектов и процессов. . Пространство и время метрически бесконечны. . Пространство и время однородны и изотропны. . Вселенная стационарна, не претерпевает эволюции. Изменяться могут конкретные космические системы, но не мир в целом. Современные космологические модели Вселенной основываются на общейтеории относительности А. Эйнштейна, согласно которой метрика пространстваи времени определяется распределением гравитационных масс во Вселенной. Еесвойства как целого обусловлены средней плотностью материи и другимиконкретно-физическими факторами. Современная релятивистская космология строит модели Вселенной, отталкиваясь от основного уравнениятяготения, введенного А. Эйнштейном в общей теории относительности.Уравнение тяготения Эйнштейна имеет не одно, а множество решений, чем иобусловлено наличие многих космологических моделей Вселенной. Перваямодель была разработана самим Л. Эйнштейном в 1917 г. Он отбросилпостулаты ньютоновской космологии об абсолютности и бесконечностипространства и времени. В соответствии с космологической моде лью ВселеннойА. Эйнштейна мировое пространство однородно и изотропно, материя в среднемраспределена в ней равномерно, гравитационное притяжение масскомпенсируется универсальным космологическим отталкиванием. Эта модель казалась в то время вполне удовлетворительной,поскольку онасогласовывалась со всеми известными фактами. Но новые идеи, выдвинутые А.Эйнштейном, стимулировали дальнейшее исследование, и вскоре подход кпроблеме решительно изменился. В том же 1917 г. голландский астроном В. де Ситтер предложил другуюмодель, представляющую собой также решение уравнений тяготения. Это решениеимело то свойство, что оно существовало бы даже в случае "пустой"Вселенной, свободной oт материи. Если же в такой Вселенной появлялисьмассы, то решение переставало быть стационарным: возникало некоторого родакосмическое отталкивание между массами, стремящееся удалить их друг отдруга и растворить всю систему. Тенденция к расширению, по В. де Ситтеру,становилась заметной лишь на очень больших расстояниях. В 1922 г. российский математик и геофизик Л.А. Фридман о (бросилпостулат классической космологии о стационарности Вселенной и дал принятоев настоящее время решение космологической проблемы. Решение уравнений А.А. Фридмана, допускает три возможности. Еслисредняя плотность вещества и излучения во Вселенной равна некоторойкритической величине, мировое пространство оказывается евклидовым иВселенная неограниченно расширяется от первоначального точечного состояния.Если плотность меньше критической, пространство обладает геометриейЛобачевского и так же неограниченно расширяется. И, наконец, если плотностьбольше критической, пространство Вселенной оказывается римановым,расширение на некотором этапе сменяется сжатием, которое продолжаетсявплоть до первоначального точечного состояния. По современным данным,средняя плотность материи во Вселенной меньше критической, так что болеевероятной считается модель Лобачевского, т.е. пространственно бесконечнаярасширяющаяся Вселенная. Не исключено, что некоторые виды материи, которыеимеют большое значение для величины средней плотности, пока остаютсянеучтенными. В связи с этим делать окончательные выводы о конечности илибесконечности Вселенной пока преждевременно. Расширение Вселенной считается научно установленным фактом. Первымк поискам данных о движении спиральных галактик обратился В. де Ситтер.Обнаружение эффекта Доплера, свидетельствовавшего об удалении галактик,дало толчок дальнейшим теоретическим исследованиям и новым улучшеннымизмерениям расстояний и скоростей спиральных туманностей. В 1929 г. американский астроном Э.П. Хаббл обнаружилсуществование странной зависимости между расстоянием и скоростьюгалактик: все галактики движутся от нас, причем со скоростью, котораявозрастает пропорционально расстоянию,— система галактик расширяется. Но то, что в настоящее время Вселенная расширяется, еще не позволяет однозначно решить вопрос в пользу той или иной модели. 4)Этапы космической эволюции. Как бы ни решался вопрос о многообразии космологических моделей,очевидно, что наша Вселенная расширяется, эволюционирует. Время ее эволюцииот первоначального состояния оценивается приблизительно в 20 млрд лет. Возможно, более подходящей является аналогия не с элементарнойчастицей, а со сверхгеном, обладающим огромным набором потенциальныхвозможностей, реализующихся в процессе эволюции. В современной наукевыдвинут гак называемый антропный принцип в космологии. Суть егозаключается в том, что жизнь во Вселенной возможна только при тех значенияхуниверсальных постоянных, физических констант, которые в действительностиимеют место. Если значение физических констант имело бы хоть ничтожноеотклонение от существующих, то возникновение жизни было бы в принципеневозможно. Это значит, что уже в начальных физических условияхсуществования Вселенной заложена возможность возникновения жизни. От первоначального сингулярного состояния Вселенная перешла к расширениюв результате Большого взрыва, заполнившего все пространство. В итоге каждаячастица материи устремилась прочь от любой другой. Всего лишь через одну сотую секунды после взрыва Вселенная имелатемпературу порядка 100 000 млн град, по Кельвину. При такой температуре(выше температуры центра самой горячей звезды) молекулы, атомы и даже ядраатомов существовать не могут. Вещество Вселенной пребывало в видеэлементарных частиц, среди которых преобладали электроны, позитроны,нейтрино, фотоны, а также в относительно малом количестве протоны инейтроны Плотность вещества Вселенной спустя 0,01 с после взрыва былаогромной - в 4 000 млн paз больше, чем у воды В конце первых тpеx минут после взрыва температура вещества Вселенной,непрерывно снижаясь, достигла 1 млрд град. При этой все еще очень высокойтемпературе начали образовываться ядра атомов, в частности, ядра тяжелоговодорода и гелия. Однако вещество Вселенной в конце первых трех минутсостояло в основном из фотонов, нейтрино и антинейтрино. СОДЕРЖАНИЕ. 1.ВВЕДЕНИЕ. стр. 2.МАКРОМИР: концепции классического естествознания. стр. 3.МИКРОМИР: концепции современной физики. стр. 1)Фундаментальные открытия в области физики конца 19-начала 20 вв. стр. 2)Рождение и развитие представлений о квантах. стр. 3)Теория атома Н.Бора. стр. 4)Корпускулярно-волновой дуализм в современной физике. стр. 4.МЕГАМИР: современные астрофизические и космологические концепции. стр. 1)Звездная форма бытия космической материи. стр. 2)Планеты. стр. 3)Современные космологические модели Вселенной. стр. 4)Этапы космической эволюции. стр. 5.ЗАКЛЮЧЕНИЕ. стр. 6.СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ. стр. 5.ЗАКЛЮЧЕНИЕ. Все вышеизложенные революционные открытия в физикеперевернули ранее существующие взгляды на мир. Исчезлаубежденность в универсальности законов классической механики, иборазрушились прежние представления о неделимости атома, о постоянстве массы, о неизменности химических элементов и т.д. Теперь уже врядли можно найти физика, который считал бы, что все проблемы егонауки можно решить с помощью механических понятий и уравнений.Рождение и развитие атомной физики, таким образом, окончательносокрушило прежнюю механистическую картину мира. Но классическаямеханика Ньютона при этом не исчезла. По сей день она занимаетпочетное место среди других естественных наук. С ее помощью,например, рассчитывается движение искусственных спутников Земли,других космических объектов и т.д. Но трактуется она теперь какчастный, случай квантовой механики, применимый для медленных движений и больших масс объектов макромира. 6.СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ.1.Концепции современного естествознания: Серия. “Учебники и учебныепособия’’Ростов на Дону : ред. «Феникс» , 2000.-576с.2.Концепции современного естествознания. Учебник под ред. В.Н.Лавриенко. Москва.: ЮНИТИ . 1997 г.3. Г.Г. Гранатов.Идейно-понятийное содержание современного естествознания : Учебно-методическое пособие. - Магнитогорск: МаГУ, 2001. –183с.4.А.А. Горелов. Концепции современного естествознания. –М.: Центр, 1998. – 208с. Магнитогорский Государственный Университет. Реферат по Концепциям современного естествознания на тему: Структурные уровни организации материи: концепции микро-, макро-, мегамиров.» Выполнила: студентка 2 курса 202 гр., ф-та ПиМНО Островская ЕленаПроверила: преподаватель Кузина Г.Ф. Магнитогорск 2002




Похожие:

Структурные уровни организации материи: концепции микро-, макро- и мегамиров iconСтруктурные уровни организации материи. Микро, макро, мега миры

Структурные уровни организации материи: концепции микро-, макро- и мегамиров iconКонцепции современного естествознания Вариант №9«Структурные уровни организации материи»
Основные идеи системного анализа объектов научного познания, в том числе и материи
Структурные уровни организации материи: концепции микро-, макро- и мегамиров iconКонтрольная работа По дисциплине: «Концепции современного естествознания» На тему: «Структурные уровни живого»
Системно-структурные уровни организации многообразных форм живого достаточно многочисленны. Среди них: молекулярный, клеточный, тканевой,...
Структурные уровни организации материи: концепции микро-, макро- и мегамиров iconЛекции по биологической картине мира + разобрать структурные уровни организации живой материи
Живое вещество как системообразующий фактор биосферы (свойства и функции живого вещества)
Структурные уровни организации материи: концепции микро-, макро- и мегамиров iconКонтрольная работа по дисциплине: «Концепции современного естествознания» Вариант №20 Структурные уровни живого
Охватывает биоценотический и биосферный уровни
Структурные уровни организации материи: концепции микро-, макро- и мегамиров iconУровни организации жизни
А кольцевая хромосома бактерии представляет собой уровень организации живой материи
Структурные уровни организации материи: концепции микро-, макро- и мегамиров icon1. Предмет, сущность и цели современного естествознания. Естествознание
Естествознание-система наук о природе. Природа-это вселенная, то, куда может достигнуть человеческий опыт. Природа делится на 3 мира:...
Структурные уровни организации материи: концепции микро-, макро- и мегамиров icon1. Предмет, сущность и цели современного естествознания. Естествознание
Естествознание-система наук о природе. Природа-это вселенная, то, куда может достигнуть человеческий опыт. Природа делится на 3 мира:...
Структурные уровни организации материи: концепции микро-, макро- и мегамиров iconУрок по теме «Структура и уровни материи. Атрибуты материи»
Поведская Ольга Константиновна, преподаватель социально-гуманитарных дисциплин гоу спо ро «Вешенский педагогический колледж имени...
Структурные уровни организации материи: концепции микро-, макро- и мегамиров iconМикро макро и мега миры

Разместите кнопку на своём сайте:
Документы


База данных защищена авторским правом ©rushkolnik.ru 2000-2015
При копировании материала обязательно указание активной ссылки открытой для индексации.
обратиться к администрации
Документы