Шпаргалка по «Концепции современного естествознания»

Подтверждение гипотезы де Бройля стало  поворотным моментом в развитии квантовой  механики. Подобно тому, как эффект Комптона показывает корпускулярную природу света, эксперимент Дэвиссона — Джермера подтвердил неразрывное «сосуществование» с частицей её волны, иными словами — присущность корпускулярной материи также и волновой природы. Это послужило оформлению идей корпускулярно-волнового дуализма. Подтверждение этой идеи для физики стало важным этапом, поскольку дало возможность не только характеризовать любую частицу, присваивая ей определённую индивидуальную длину волны, но также при описании явлений, полноправно использовать её в виде определённой величины в волновых уравнениях.

 

 

10. Современная физика. Концепция атомизма и элементарные частицы.

 

Представление о неделимых мельчайших частицах материи, возникшее еще в глубокой древности, сопровождало развитие воззрений на природу на протяжении всей истории научного познания. Впервые понятие об атоме как последней и неделимой частице тела возникло, как известно, в античной Греции в рамках натурфилософского учения школы Левкиппа--Демокрита. Согласно этому учению, в мире существуют только атомы и пустота. Различные комбинации атомов образуют самые разнообразные видимые тела. Эти тела могут возникать и исчезать, но атомы, из которых они состоят, остаются неизменными. Они могут лишь переходить от одних тел к другим.

Античная гипотеза об атомах не основывалась на каких-либо эмпирических данных и  была лишь гениальной догадкой, но тем  не менее она определила на многие столетия вперед все дальнейшее развитие естествознания. И хотя сейчас мы знаем, что атом вовсе не является последней, неделимой частицей материи и имеет сложное строение, тенденция к поиску последних элементарных частиц, из которых построено все мироздание, продолжает существовать в новых формах атомистической концепции.

Эта концепция, как уже отмечалось раньше, несомненно, обладает огромными  возможностями для объяснения свойств  и особенностей сложных тел с  помощью свойств более простых  элементов и частиц. Однако такое объяснение достигается, как известно, посредством редукции, т.е. сведения сложного к простому, составного к элементарному. Поэтому трудно согласиться с идеей, что все многообразие сложного и качественно разнообразного мира может быть сведено к немногим свойствам небольшого числа простых, элементарных частиц.

 

 

 

11. Современная космология. Космологические модели Вселенной. Эволюция Вселенной.

 

Модели Вселенной, как и любые  другие, строятся на основе тех теоретических  представлений, которые существуют в данное время в космологии. Современная космология возникла после появления общей теории относительности и поэтому ее в отличие от прежней, классической, называют релятивистской. Эмпирической базой для нее послужили открытия внегалактической астрономии, важнейшим из которых, несомненно, было обнаружение явления "разбегания" галактик. В 1929 г. американский астроном Эдвин П. Хаббл (1889-1953) установил, что свет, идущий от далеких галактик, смещается в сторону красного конца спектра. Это явление, получившее название красного смещения, согласно принципу Допплера свидетельствовало об удалении ("разбегании") галактик от наблюдателя.

Поскольку релятивистская космология сформировалась на основе идей и принципов  общей теории относительности, то на первом этапе она уделяла главное внимание геометрии Вселенной и, в частности, кривизне четырехмерного пространства - времени.

Новый этап ее развития был связан с исследованиями русского ученого  Александра Александровича Фридмана (1888-1925), которому удалось впервые теоретически доказать, что Вселенная, заполненная тяготеющим веществом, не может быть стационарной, а должна периодически расширяться или сжиматься. Этот принципиально новый результат нашел свое подтверждение после обнаружения Хабблом красного смещения, которое было истолковано как явление "разбегания" галактик. В связи с этим на первый план выдвигаются проблемы исследования расширения Вселенной и определения ее возраста по продолжительности этого расширения.

Наконец, начало третьего периода  развития космологии связано с работами известного американского физика Георгия А. Гамова (1904-1968), русского по происхождению. В них исследуются физические процессы, происходившие на разных стадиях расширяющейся Вселенной.

Все эти особенности развития космологии нашли отражение в различных моделях Вселенной. Общим для них является представление о нестационарном изотропном и однородном характере ее моделей.

Нестационарность означает, что Вселенная не может находиться в статическом, неизменном состоянии, а должна либо расширяться, либо сжиматься. "Разбегание" галактик, по-видимому, свидетельствует о ее расширении, хота существуют модели, в которых наблюдаемое в настоящее время расширение рассматривается как одна из фаз так называемой пульсирующей Вселенной, когда вслед за расширением происходит ее сжатие.

Изотропность указывает на то, что во Вселенной не существует каких-либо выделенных точек и направлений, т. е. ее свойства не зависят от направления.

Однородность характеризует распределение в среднем вещества во Вселенной.

Последние утверждения часто называют космологическим постулатом. К нему добавляют также правдоподобное требование об отсутствии во Вселенной сил, препятствующих силам тяготения. При таких предположениях модели оказываются наиболее простыми. В их основе лежат уравнения общей теории относительности Эйнштейна, а также представления о кривизне пространства - времени и связи этой кривизны с плотностью массы вещества.

В зависимости от кривизны пространства различают:

• открытую модель, в которой кривизна отрицательна или равна нулю,

• замкнутую модель с положительной кривизной. Расстояния между скоплениями галактик со временем непрерывно увеличиваются, что соответствует бесконечной Вселенной. В замкнутых моделях Вселенная оказывается конечной, но столь же неограниченной, так как, двигаясь по ней, нельзя достичь какой-либо границы.

Независимо от того, рассматриваются  ли открытые или замкнутые модели Вселенной, все ученые сходятся в  том, что первоначально Вселенная  находилась в условиях, которые трудно вообразить на Земле.

 

Эти условия  характеризуются наличием высокой  температуры и давления в сингулярности, в которой была сосредоточена  материя. Такое допущение вполне согласуется с установлением  расширения Вселенной, которое могло  начаться с некоторого момента, когда  она находилась в очень горячем состоянии и постепенно охлаждалась по мере расширения.

 

Такая модель "горячей" Вселенной  впервые была выдвинута Г. А. Гамовым  и впоследствии названа стандартной.

Известный американский астроном Карл Саган (р. 1934) построил наглядную модель эволюции Вселенной, в которой космический год равен 15 млрд. земных лет, а 1 секунда - 500 годам; тогда в земных единицах времени эволюция представится так:

 

Большой взрыв	1 января 0 ч 0 мин
Образование галактик	10 января
Образование Солнечной системы	9 сентября
Образование Земли	14 сентября
Возникновение жизни на Земле	25 сентября
Океанский планктон	18 декабря
Первые рыбы	19 декабря
Первые динозавры	24 декабря
Первые млекопитающие	26 декабря
Первые птицы	27 декабря
Первые приматы	29 декабря
Первые гоминиды	30 декабря
Первые люди	31 декабря примерно  в 22 часа 30 минут

 

 

 

Возникновение и развитие современной релятивистской космологии имеет большое мировоззренческое  значение. Оно во многом изменило наши прежние представления о научной картине мира. Особенно радикальным было открытие так называемого красного смещения, свидетельствующего о расширении Вселенной. Этот факт нельзя было не учитывать при построении космологических моделей. Считать ли Вселенную бесконечной или конечной - зависит от конкретных эмпирических исследований и прежде всего от определения плотности материи во Вселенной, что имеет решающее значение для оценки кривизны пространства - времени. Очевидно, что при нулевой или отрицательной кривизне модель должна быть открытой, при положительной- замкнутой. Однако оценка плотности распределения материи во Вселенной наталкивается на серьезные трудности, связанные с наличием так называемого скрытого (невидимого) вещества в виде темных облаков космической материи. Хотя никакого окончательного вывода о том. является ли Вселенная открытой или замкнутой, сделать пока еще нельзя, но многие свидетельства говорят, по-видимому, в пользу открытой бесконечной ее модели. Во всяком случае такая модель лучше согласуется с неограниченно расширяющейся Вселенной. Замкнутая же модель предполагает конец такого расширения и допущение ее последующего сжатия. Как мы уже отмечали выше, коренной недостаток такой модели состоит в том, что пока современная наука не располагает какими-либо фактами, подтверждающими подобное сжатие. К тому же сторонники замкнутой Вселенной признают, что эволюция Вселенной началась ^с большого взрыва". Наконец, остается нерешенной и проблема оценки плотности распределения материи и связанной с ней величины кривизны пространства - времени.

Важной  проблемой остается и оценка возраста Вселенной, который определяется по длительности ее расширения. Если бы расширение Вселенной происходило с постоянной скоростью, равной в настоящее время 75 км/с, то время, истекшее с начала "большого взрыва" составило бы 13 млрд. лет. Однако есть основания считать, что ее расширение происходит с замедлением Тогда возраст Вселенной будет меньше. С другой стороны, если допустить существование отталкивающих космологических сил, тогда возраст Вселенной будет больше.

Значительные  трудности связаны также с  обоснованием первоначально “горячей" модели в сингулярной области, поскольку  предполагаемые плотности и температуры  никогда не наблюдались и не анализировались  в современной астрофизике. Но развитие науки продолжается и есть основания, надеяться, что и эти труднейшие проблемы со временем будут разрешены. Главный же итог современных космологических исследований состоит в том, что они показали, что Вселенная не находится в стационарном состоянии, она непрерывно изменяется вследствие понижения в ней температуры и связанного с этим процесса ее расширения. Именно в результате такого процесса происходит эволюция материи, связанная с появлением все новых и сложных структур.

 

Основные понятия  и термины
Антивещество	Физическое взаимодействие
"Большой взрыв" Вселенной	Вещество
Галактика	Вселенная
Гравитация	Красное смещение
Микроэволюция	Макроэвопюция
Расширение Вселенной	Разрушение симметрии
Стандартная модель	Реликтовое излучение

 

 

 

12. Современная химия. Концептуальные уровни в познании веществ и химические системы.

 

Химию обычно рассматривали как  науку о составе и качественном превращении различных веществ. В первое время именно по составу реагирующих веществ пытались объяснить свойства полученных новых веществ. Уже на этом этапе ученые встретились с огромными трудностями. Ведь для того, чтобы понять, какие именно первоначальные элементы определяют свойства простых и сложных веществ, надо, во-первых, уметь различать простые и сложные вещества, а во-вторых, определить те элементы, от которых зависят их свойства. Между тем долгое время ученые считали, например, металлы сложными веществами, а об элементах существовали самые противоречивые представления. Поэтому, несмотря на обилие эмпирического материала о свойствах различных веществ и их соединений, особенностях протекания разнообразных реакций, в химии, по сути дела, до открытия в 1869г. Периодической системы химических элементов Дмитрия Ивановича Менделеева (1834—1907) не существовало той объединяющей концепции, с помощью которой можно было бы объяснить весь накопленный фактический материал, а следовательно, представить все наличное знание как систему теоретической химии.

Было бы, однако, неправильно не учитывать той громадной исследовательской  работы, которая привела к утверждению системного взгляда на химические знания. Уже с первых шагов химики на интуитивном и эмпирическом уровне поняли, что свойства простых веществ и химических соединений зависят от тех неизменных начал или носителей, которые впоследствии стали называть элементами. Выявление и анализ этих элементов, раскрытие связи между ними и свойствами веществ охватывает значительный период в истории химии, начиная от гипотезы Роберта Бойля (1627—1691) и кончая современными представлениями о химических элементах как разновидностях изотопов, т.е. атомов, обладающих одинаковым зарядом ядра и отличающихся по массе. Этот первый концептуальный уровень можно назвать исследованием различных свойств веществ в зависимости от их химического состава, определяемого их элементами. Здесь мы видим поразительную аналогию с той концепцией атомизма, о которой шла речь в предыдущей главе. Химики, как и физики, искали ту первоначальную основу или элемент, с помощью которых пытались объяснить свойства всех простых и сложных веществ.