Шпаргалка по «Концепции современного естествознания»

В рамках классического естествознания стала постепенно утверждаться идея принципиального единства всех явлений  природы и отображающих их научных  дисциплин.Начали возникать смежные  дисциплины типа физической химии,химической физики,биохимии,биогеохимии и т.д. Основные фундаментальные науки настолько сильно диффундировали друг в друга,что пришла пора задуматься о единой науке о природе.Интеграция естественно-научного знания стала ведущей закономерностью его развития.

Формы проявления интеграции:

-в организации исследований  «на стыке» смежных научных  дисциплин;

-в разработке «транс дисциплинарных»  научных методов,имеющих значение  для многих наук (спектральный  анализ,хромотография,компьютерный эксперимент);

-в поиске «объединительных теорий» и принципов,к которым можно было бы свести бесконечное разнообразие явлений природы (гипотеза «Великого объединения» всех типов фундаментальных взаимодействий в физике,глобальный эволюционный синтез в биологии,физике,химии и т.д.);

-в разработке теорий,выполняющих общеметодологические функции в естествознании (общая теория систем,кибернетика,синергетика);

-в изменении характера решаемых  современной наукой проблем –  они по большей части становятся  комплексными,требующими участия  сразу нескольких дисциплин (экологические проблемы,проблема возникновения жизни и пр.).

дифференциация и интеграция в  развитии естествознания – взаимодополнительные тенденции.

Четко и однозначно фиксируемых  радикальных смен научных картин мира, т.е. научных революций, в истории развития науки и естествознания можно выделить три: аристотелевскую,ньютоновскую и эйнштейновскую (релятивистскую).

1. первая научная революция в 6-4 в.в. до н.э.

В результате нее и появляется на свет сама наука. Произошло отличие  науки от других форм познания мира, были созданы определенные нормы и образцы построения научного знания. Аристотель создает учение о доказательстве. Важнейшим фрагментом научной картины мира стало геоцентрическое учение о мировых сферах.

2. Вторая глобальная научная революция в 17-18 в.в.

Исходный пункт – переход  к гелиоцентрической модели мира.

Ученые-классики: Коперник, Галилей, Ньютон, Декарт, Кеплер.

Отличия созданной ими науки  от античной:

• классическое естествознание заговорило языком математики. Сумели выделить строго объективные количественные характеристики земных тел и выразить их в строгих математических закономерностях;
• наука нашла мощную опору в методах экспериментального исследования явлений со строго контролируемыми условиями, а не просто в их созерцании;
• создана концепция о бесконечности Вселенной;
• доминантой естествознания стала механика. Возникла мощная тенденция сведения всех знаний о природе к фундаментальным принципам и представлениям механики;
• сформировался четкий идеал научного знания: раз и навсегда установленная абсолютно истинная картина природы,которую можно подправлять в деталях, но радикально переделывать уже нельзя. Объект познания существует сам по себе.

Ее итог – механистическая научная  картина мира на базе эксперементально-математического  естествознания.

3. Третья научная революция на рубеже 19-20 в.в.

Началась с появления принципиально  новых фундаментальных теорий –  теории относительности и квантовой  механики. Их утверждение привело  к смене теретико-методологических установок во всем естествознании. Позднее, уже в рамках новой неклассической картины мира,произошли мини-революции в космологии (концепции нестационарной вселенной), биологии (становление генетики). Нынешнее (конца 20 века) естествознание существенно изменило свой облик по сравнению с началом века.

-ньютоновская естественнонаучная  революция изначально была связана  с переходом к гелиоцентризму. На смену пришел Эйнштейновский отказ от всякого центризма вообще;

- классическое естествознание  – понятие о траектории частиц, одновременности событий и т.д.

-объект перестал существовать  сам по себе;

-естественнонаучная картина мира  может обладать лишь относительной  истинностью.

Мир состоит из разномасштабных  открытых систем,развитие которых подчиняется  некоторым общим закономерностям. При этом он имеет свою долгую историю, которая в общих чертах известна современной науке:

20 млрд. лет назад – Большой  взрыв

3 минуты спустя – образование  вещественной основы Вселенной  (фотоны,нейтрино и антинейтрино  с примесью ядер водорода, гелия и электронов).

Через несколько сотен тысяч лет – появление атомов (легких элементов).

19-17 млрд. лет назад – образование  разномасштабных структур (галактик).

15 млрд. лет назад – появление  звезд первого поколения, образование  атомов тяжелых элементов.

5 млрд. лет назад – рождение Солнца.

4,6 млрд. лет назад – образование  Земли.

3,8 млрд. лет назад – зарождение  жизни.

450млн лет назад – появление  растений.

150 млн. лет назад – появление  млекопитающих.

2 млн. лет назад – начало  антропогенеза.

Наиболее крупные прорывы к  тайнам истории Вселенной осуществлены во второй половине нашего века: предложена и обоснована концепция Большого взрыва, построена кварковая модель атома, установлены типы фундаментальных взаимодействий и построены первые теории их объединения и т.д.

Принципы построения и  организации современного научного знания:

-системность;

-глобальный эволюционизм;

-самоорганизация;

-историчность.

Данные принципы соответствуют  фундаментальным закономерностям  существования и развития самой природы.

Системность означает воспроизведение наукой того факта, что наблюдаемая Вселенная предстает как наиболее крупная из всех известных нам систем, состоящая из огромного множества элементов (подсистем) разного уровня сложности и упорядоченности. Под «системой» понимают некое упорядоченное множество взаимосвязанных элементов. Другой важной характеристикой системной организации является иерархичность,субординация – последовательное включение систем нижних уровней в системы все более высоких уровней. Например: человек – биосфера – планета Земля – Солнечная система – Галактика и т.д.

Глобальный эволюционизм – признание невозможности существования Вселенной и всех порождаемых ею менее масштабных систем вне развития, эволюции.Эволюционирующий характер вселенной свидетельствует о принципиальном единстве мира,каждая составная часть которого есть историческое следствие глобального эволюционного процесса,начатого Большим взрывом.

Самоорганизация – это наблюдаемая способность материи к самоусложнению и созданию все более упорядоченных структур в ходе эволюции.

Современная картина мира имеет  особенность: принципиальная незавершенность  настоящей и любой другой картины  мира.Развитие общества и Вселенной осуществляется в разных темпоритмах,но их взаимное наложение делает идею создания окончательной,.завершенной,абсолютно истинной научной картины мира практически неосуществимой.

 

 

7. Концепция относительности пространства-времени. Специальная теория относительности и ее роль в науке.

 

 

Когда в естествознании господствовала механистическая картина мира и  существовала тенденция сводить объяснение всех явлений природы к законам механики, принцип относительности не подвергался никакому сомнению. Положение резко изменилось, когда физики вплотную приступили к изучению электрических, магнитных и оптических явлений. Максвелл объединил все эти явления в рамках единой электромагнитной теории. С созданием этой теории для физиков стала очевидной недостаточность классической механики для описания явлений природы. В связи с этим естественно возник вопрос: выполняется ли принцип относительности и для электромагнитных явлений?

Описывая ход своих рассуждении, создатель теории относительности  Альберт Эйнштейн указывает на два  аргумента, которые свидетельствовали  в пользу всеобщности принципа относительности.

• Этот принцип с большой точностью выполняется в механике, и поэтому можно было надеяться, что он окажется правильным и в электродинамике.

• Если инерциальные системы неравноценны для описания явлений природы, то разумно предположить, что законы природы проще всего описываются  лишь в одной инерциальной системе. Например, в системе отсчета, связанной с движущимся вагоном, механические процессы описывались бы сложнее, чем в системе, отнесенной к железнодорожному полотну. Еще более показателен пример, если рассматривается движение Земли вокруг Солнца со скоростью 30 километров в секунду. Если бы принцип относительности в данном случае не выполнялся, то законы движения тел зависели бы от направления и пространственной ориентировки Земли. Ничего подобного, т.е. физической неравноценности различных направлений, не обнаружено. Однако здесь возникает кажущаяся несовместимость принципа относительности с хорошо установленным принципом постоянства скорости света в пустоте (300 000 км/с).

Возникает дилемма: отказ либо от принципа постоянства скорости света, либо от принципа относительности. Первый принцип установлен настолько точно и однозначно, что отказ от него был бы явно неоправданным и к тому же связан с чрезмерным усложнением описания процессов природы. Не меньшие трудности возникают и при отрицании принципа относительности в области электромагнитных процессов.

Обратимся к мысленному эксперименту. Предположим, что по рельсам движется железнодорожный вагон со скоростью v, в направлении движения которого посылается световой луч со скоростью с. Процесс распространения света, как и любой физический процесс, определяется по отношению к некоторой системе отсчета. В нашем примере такой системой будет полотно дороги. Спрашивается, какова будет скорость света относительно движущегося вагона? Легко подсчитать, что она рав-на w = с - n, т. е. разности скорости света по отношению к полотну дороги и к вагону. Выходит, что она меньше постоянного ее значения, а это противоречит принципу относительности, согласно которому физические процессы происходят одинаково во всех инерциальных системах отсчета, какими являются железнодорожное полотно и равномерно прямолинейно движущийся вагон. Однако это противоречие является кажущимся, потому что на самом деле скорость света не зависит от того, движется ли источник света или покоится.

В действительности, как показал  А. Эйштейн:

 

Закон распространения  света и принцип относительности  совместимы. И это положение составляет основу специальной теории относительности.

 

Кажущееся противоречие принципа относительности  закону постоянства скорости света возникает потому, что классическая механика, по заявлению Эйнштейна, опиралась "на две ничем не оправданные гипотезы":

• промежуток времени между двумя  событиями не зависит от состояния  движения тела отсчета;

• пространственное расстояние между двумя точками твердого тела не зависит от состояния движения тела отсчета.

Исходя из этих, кажущихся вполне очевидными, гипотез классическая механика молчаливо признавала, что величины промежутка времени и расстояния имеют абсолютные значения, т. е. не зависят от состояния движения тела отсчета. Выходило, что если человек в равномерно движущемся вагоне проходит, например, расстояние в 1 метр за одну секунду, то этот же путь по отношению к полотну дороги он пройдет тоже за одну секунду. Аналогично этому считалось, что пространственные размеры тел в покоящихся и движущихся системах отсчета остаются одинаковыми. И хотя эти предположения с точки зрения обыденного сознания и так называемого здравого смысла кажутся само собой очевидными, тем не менее они не согласуются с результатами тщательно проведенных экспериментов, подтверждающих выводы новой, специальной теории относительности.

Чтобы лучше разобраться в этом вопросе, рассмотрим, каким условиям должны удовлетворять преобразования пространственных координат и времени при переходе от одной системы отсчета к другой. Если принять предположение классической механики об абсолютном характере расстояний и времен, то уравнения преобразования будут иметь следующий вид:

x_i=x-nt,

y=y;                                 (3.1)

z=z,

t=t.

Эти уравнения часто называют преобразованиями Галилея.

Если же преобразования должны удовлетворять  также требованию постоянства скорости света, то они описываются уравнениями  Лоренца, названного по имени нидерландского физика Хендрика Антона Лоренца (1853-1928). Когда одна система отсчета движется относительно другой равномерно прямолинейно вдоль оси абсцисс х, тогда координаты и время в движущейся системе выражаются уравнениями:

,

y=y,        (3.2)

z=z,

Опираясь на преобразования Лоренца, легко проверить, что движущаяся твердая линейка будет короче покоящейся, и тем короче, чем  быстрее она движется. В самом  деле, пусть начало линейки находится  в начале координат и ее абсцисса х = 0, а конец х = 1. Чтобы найти длину линейки относительно неподвижной системы отсчета К, воспользуемся первым уравнением преобразования Лоренца:

х (начало линейки) =

,

х (конец линейки) =

.

Таким образом, если в системе отсчета К длина линейки равна 1, скажем, 1 метру, то в системе К* она составит , поскольку линейка движется со скоростью в направлении ее длины.

Специальная теория относительности  возникла из электродинамики и мало чем изменила ее содержание, но зато значительно упростила ее теоретическую конструкцию, т. е. вывод законов и, самое главное, уменьшила количество независимых гипотез, лежащих в ее основе. Однако чтобы согласоваться с постулатами специальной теории относительности, классическая механика нуждается в некоторых изменениях. Эти изменения касаются в основном законов быстрых движений, т.е. движений, скорость которых сравнима со скоростью света. В обычных земных условиях мы встречаемся со скоростями, значительно меньшими скорости света, и поэтому поправки, которые требует вносить теория относительности, имеют крайне малую величину и ими во многих случаях практически можно пренебречь. Достаточно, например, отметить, что даже при скорости движения спутника Земли, равной примерно 8 км/с, поправка к массе составит около одной двухмиллиардной ее части.