Учебно-методический комплекс дисциплины «Концепции современного естествознания»
Скачать 1.81 Mb.
|
натурализм – идея о самодостаточности природы, управляемой естественными, объективными законами;
В результате работ многих ученых на основе механики Ньютона в ХVIII веке была создана механическая картина Мира – МКМ, сменившая картину Мира древних (Аристотеля) – КМД. Классическая механика Ньютона имеет свою область применения: ее законы выполняются для относительно медленных движений тел (при скоростях много меньше скорости света). Но общие и абстрактные ее понятия – пространство, время, масса, сила, энергия и т.д. – сохраняются и в современной физике, и во всем естествознании. Фундаментальные понятия естествознания в трактовке Ньютона (в рамках МКМ) Материя дискретна(!) – это вещество, состоящее из мельчайших, далее неделимых, абсолютно твердых движущихся частиц. Материя → физическое тело → вещество → материальная частица (атом). Движение – вечное и естественное состояние тел; движение механическое как перемещение тел в пространстве с течением времени под действием сил. Пространство – абсолютно неподвижное однородное бесконечное вместилище тел (пустота). Время – однородная равномерная и непрерывная длительность процессов; течет в одном направлении и везде одинаково. Взаимодействие (в макромире!) – механическое и гравитационное на основе принципа дальнодействия: взаимодействие мгновенно, пространство не участвует. Каждое из этих понятий не сводимо к четырем другим и не определяется какими-либо более общими понятиями. Каждое из этих понятий «не может существовать» без четырех остальных, отражая вместе с ними единство Мира. Механистическая парадигма
Лекция 6. Завершение этапа классического естествознания. Общая характеристика развития естествознания до середины ХIХ столетия. Становление основных отраслей классической физики – механики, термодинамики, оптики, электродинамики. Вероятностные и статистические принципы исследования. Теория электромагнитного поля Фарадея – Максвелла. Принцип близкодействия. Общая и специальная теории относительности Эйнштейна. Крах механицизма и формирование электромагнитной (электродинамической) картины мира (ЭМКМ). Развитие астрономической картины мира и астрофизики. Возникновение и развитие научной химии. Дарвиновская революция в биологии. Становление учения о наследственности (генетика). До середины ХIХ физика шла в рамках ньютоновских воззрений. Но с развитием наук – математика, химия, биология, астрономия – основные представления МКМ дополнялись и уточнялись. Пришло время осознания относительности МКМ и назревает смена парадигм. Механика Ньютона сводила все многообразие явлений Природы к механической форме движения материи (мир – машина). Несостоятельность такого подхода выяснилась при попытке описать тепловое движение молекул. Хотя движение каждой молекулы подчиняется законам Ньютона, характеристика всей системы частиц с помощью механики невозможна, так как имеют место более сложные связи, чем однозначные причина → следствие. Кроме того, изучение процессов фазовых переходов веществ вошло в противоречие с жестким детерминизмом и привело к понятию вероятности. исходное состояние причина следствие охлаждение пар жидкость понижение давления Детерминизм: следствие А порождается именно причиной А; Теория вероятности: следствие А может быть результатом как причины А, так и причины В. Статистическая физика и термодинамика (отпочковавшиеся разделы физики) позволили дать описание сложных систем с учетом теплового движения молекул. Статистические законы по сравнению с динамическими выражают более сложную, чем однозначная причинно-следственная связь и соответствуют более высокому уровню познания природы. С ХVIII века среди естествоиспытателей наблюдается массовое увлечение электричеством. Первые сведения об электричестве и магнетизме были еще в Древней Греции. Установлено, что электризация может быть отрицательной (как у янтаря) и положительной (как у стекла). В 1729 г. С. Грей (англ.) открыл явление проводимости и разделил все тела на проводники и не проводники. Он же установил электрическую природу молнии. Симмер (англ.) установил, что в обычном состоянии любое тело содержит равное количество разноименных зарядов, взаимно компенсирующих друг друга. В 1785 г. выведен закон Кулона о взаимодействии точечных зарядов. Это было сделано, несмотря на то, что сам носитель элементарного заряда – электрон – был открыт спустя более, чем сто лет, только в 1897 г. Дж. Томсоном. Магнетизм и магниты также были известны еще во II веке до н.э. в Китае, где был изобретен и компас. Причины магнетизма и электричества еще долгое время оставались неясными, причем оба эти явления рассматривались отдельно друг от друга. Объяснение было дано (частично) в начале ХIХ века с введением М. Фарадеем понятия поля как особой формы материи: связь электрических и магнитных явлений была доказана с открытием магнитного поля у проводника с током (Эрстед). Открытие полевой формы материи было самым важным со времен Ньютона. В 60-х годах ХIХ века Максвелл (англ.) развил идеи Фарадея, перевел его взгляды на язык математики и создал теорию электромагнитного поля.
Жизнь немыслима без сил электромагнитной природы. Строение атомной оболочки, сцепление атомов в молекулы (химическая связь) и образование из веществ тел различной формы определяются исключительно электромагнитным взаимодействием. С появлением теории электромагнитного поля Максвелла мир стал представляться электродинамической системой и на смену механической картине складывается новая, электромагнитная картина Мира – ЭМКМ. Ее основные идеи:
Осознание и развитие последнего положения пришло чуть позже – в начале ХIХ века с появлением сначала специальной (1905), а затем и общей (1916) теории относительности Эйнштейна в результате попыток создания «единой теории поля». В СТО размеры тел и промежутки времени теряют абсолютный характер, какой им приписывался классической физикой, и приобретают статус относительных величин, зависящих от выбора системы отсчета. Масса тела также является относительной величиной, зависящей от скорости, а между массой тела и его полной энергией существует определенное соотношение: Е=mc2 . Через осознание того, что нельзя дать описание физического процесса самого по себе (можно только дать его описание по отношению к определенной системе отсчета), впервые в истории физики конкретно проявился диалектический характер процесса познания, активность субъекта познания, неразрывное взаимодействие субъекта и объекта. Переработка СТО с учетом теории гравитации привела к созданию общей теории относительности – ОТО –, утверждающей, что свойства пространства-времени обусловлены гравитационным полем, созданным массой и скоростями вещественных образований. Развитие других областей естествознания в ХIХ веке шло своим чередом. Ряд различных открытий послужил неопровержимым доказательством материального единства Мира и его развития. Ламарк: систематизация животного мира, исходя из идеи его единства; Велер: впервые произведен синтез органического вещества из неорганических; Шванн: открытие клетки; Дарвин: эволюционное учение; Менделеев: периодический закон; Мендель: изучение наследственности. Лекция 7. Формирование основных принципов неклассического естествознания Ограниченность электромагнитной картины мира и развитие квантовой теории. Корпускулярно-волновой дуализм. Выход физики на уровень микромира и формирование квантово-полевой картины мира (КПКМ). Принцип дополнительности Бора. Соотношение неопределенностей Гейзенберга. Вероятностный характер квантовомеханических описаний. В отличие от МКМ, электромагнитная картина Мира практически с самого начала имела много дефектов и не смогла дать единого непротиворечивого и законченного представления о Мире, она начала умирать, не дожив до старости. Не было согласования между континуальностью материи и дискретностью ее многих свойств: заряд, излучение, действие и др. Не удавалось объяснить устойчивость атомов и их спектры, законы фотоэффекта, и т.д. Новая физическая теория – квантовая механика – появилась в 1924 г. Идея квантования энергии (М. Планк) сформировалась на основе открытия электрона и установления дискретности электрического заряда. Квант – порция энергии, величина его зависит от частоты излучения: ε =hν. Изучение природы света привело сначала к существованию двух теорий: фотонной (корпускулярной) и волновой, а затем к объединению их на основе принципа корпускулярно-волнового дуализма, так как понятия «волна» и «частица» не находятся в отношении или-или, а оба они необходимы для описания объектов микромира. Корпускулярно-волновой дуализм имеет универсальный характер (Луи де Бройль). Чем меньше масса и больше длина волны, тем сильнее проявляются волновые свойства объекта: λ = h / mv. Классическая механика – большие массы, малые скорости. Механика теории относительности – скорости, близкие к скорости света. Квантовая механика – очень малые массы и большие скорости. Корпускулярные и волновые свойства несовместимы в отношении их одновременного проявления, но они оба дополняют друг друга в характеристике микрообъекта. Это – принцип дополнительности (Бор). В 1927 г. Гейзенберг рассчитал меру неточности в определении координаты и импульса, энергии и времени в микромире, т.е. сформулировал принцип неопределенности. Преодолеть эту неопределенность нельзя, как нельзя достичь абсолютного нуля или вернуть вчерашний день. Квантовая механика позволила также описать природу электрона и внутреннюю структуру атома в целом, что послужило основой для развития теории химической связи и понимания структуры вещества. Принципиальные изменения, которые внесло неклассическое естествознание в нормы и принципы исследования природы и в картину Мира, не только не отвергают богатейшего классического наследия, но позволяют углубить и переосмыслить его, использовать в новых рамках. При этом невозможно установить строгую грань между классической и неклассической физикой, как невозможно сказать, сколько зерен образует «кучу». Квантово-полевая картина Мира – КПКМ – сохранила такие фундаментальные понятия, как материя, вещество, пространство, время, наполнив их новым смыслом. Материя – обладает неразрывной континуальностью-дискретностью, стороны которой проявляются в зависимости от условий. Вещество и поле – две стороны одного понятия. Пространство и время – неразрывно связаны друг с другом и с материальным взаимодействием. На основании относительности пространства-времени и причинности существует неопределенность координат и скорости (импульса) в данный момент времени. Объект микромира делокализован в пространстве. Движение – кроме механического, в микромире описывается волновой функцией на основе принципа неопределенности. Взаимодействие – известно четыре вида: сильное (внутриядерное), электромагнитное, слабое (между субатомными частицами, значительно слабее сильного и электромагнитного) и гравитационное; реализуются путем обмена фундаментальными частицами (глюонами). По-прежнему естественнонаучное познание стремится к реализации великой цели – созданию единой теории структуры материи, учитывающей все известные виды взаимодействия. Лекция 8. Физика в ХХ веке и концепция самоорганизации Мир элементарных частиц – свойства, классификация. Фундаментальные физические взаимодействия (гравитационное, электромагнитное, сильное и слабое) и их переносчики. Проблема единой теории поля. Фундаментальность законов природы как диалектическое единство необходимого и случайного, дискретного и непрерывного, упорядоченного и неупорядоченного, симметричного и несимметричного. Противонаправленность физической и биологической эволюции: необратимый процесс возрастания энтропии – хаоса, с одной стороны, и усложнение, организация живых систем, с другой стороны. Случайность, неопределенность и закономерность в реальных открытых нелинейных системах. Роль флуктуаций. Концепции синергетики и самоорганизации. Теория диссипативных структур. Физика ХХ в. – неограниченное пространство для полета научной фантазии и воображения. Подтверждаются слова Эйнштейна: «Наиболее интересные открытия совершаются тогда, когда начинают доказывать то, что в доказательствах не нуждалось». Так родилась неевклидова геометрия (в попытках доказать постулат о том, что параллельные прямые не пересекаются) и послужила основой общей теории относительности с ее искривлением пространства-времени. Чисто теоретически, при исследовании уравнения √Е2 = ±Е в применении к описанию энергии электрона, был открыт позитрон и античастицы вообще, удачно вписывающиеся в квантовую концепцию (кстати, обнаружен позитрон в космическом излучении был лишь почти через 30 лет!). В исследовании природы неуместны такие аргументы, как «этого не может быть, потому что этого не может быть никогда». С этой точки зрения совершенно авантюрной выглядела гипотеза кварков, хотя многие сложности новой физики разрешались допущением, что адроны (тип элементарных частиц) образованы из компонентов с дробным зарядом (1/3 и 2/3). Идея кварков (70-е годы ХХ века) изменила отношение к частицам, которые до того времени считались элементарными. «Истинно элементарными», бесструктурными сегодня считаются шестнадцать частиц (у тринадцати из них есть свои античастицы). Это шесть кварков и шесть антикварков (каждый из них может обладать разным «цветом» и «ароматом»), различные сочетания которых образуют протоны, нейтроны (по три кварка), мезоны (по два кварка) и др. Кроме этого, известно шесть лептонов (со своими античастицами) – электрон, мюон, таон и три вида нейтрино, обладающих уникальной проникающей способностью и чрезвычайно малой массой. Последние четыре частицы – переносчики взаимодействий в микромире: фотоны, глюоны и два вида бозонов. верхний u up гзupuuup очарованный c charm истинный t truth фотон γ нижний d down стран- ный s strange красивый b beauty глюон g z-бозон z мюонное нейтрино νμ тау- нейтрино ντ |
Похожие:
 | Учебно-методический комплекс по дисциплине Концепции современного... Учебно-методический комплекс по дисциплине «Концепции современного естествознания» составлен в соответствии с требованиями Государственного... | | Учебно-методический комплекс на модульной основе дисциплины «концепции... Целью курса «Концепции современного естествознания» является обеспечение фундаментальности и целостности высшего образования, что,... |
| Пояснительная записка требования гос к уровню знаний, умений и навыков,... Т. В. Сазанова. Концепции современного естествознания: Учебно-методический комплекс. Рабочая программа для студентов озо специальности... |  | Рабочая программа составлена в соответствии с требованиями гос впо... Дубов В. П. Концепции современного естествознания. Учебно-методический комплекс. Рабочая программа для студентов специальности 032001.... |
| Учебно-методический комплекс дисциплины «Концепции современного естествознания» Учебно-методический комплекс составлен на основании требований государственного образовательного стандарта высшего профессионального... | | Учебно-методический комплекс дисциплины «концепции современного естествознания» Учебно-методический комплекс составлен в соответствии с требованиями государственного образовательного стандарта высшего профессионального... |
| Учебно-методический комплекс дисциплины «концепции современного естествознания» Учебно-методический комплекс составлен в соответствии с требованиями государственного образовательного стандарта высшего профессионального... | | Учебно-методический комплекс дисциплины «концепции современного естествознания» Учебно-методический комплекс составлен в соответствии с требованиями государственного образовательного стандарта высшего профессионального... |
| Учебно-методический комплекс дисциплины «концепции современного естествознания» Учебно-методический комплекс составлен в соответствии с требованиями государственного образовательного стандарта высшего профессионального... | | Учебно-методический комплекс дисциплины «концепции современного естествознания» Учебно-методический комплекс дисциплины составлен в соответствии с требованиями государственного образовательного стандарта высшего... |
| Учебно-методический комплекс дисциплины Протокол согласования рабочей программы дисциплины «Концепции современного естествознания» | | Учебно-методический комплекс дисциплины концепции современного естествознания... ... |
| Учебно-методический комплекс дисциплины «концепции современного естествознания» Учебно-методический комплекс дисциплины составлен в соответствии с требованиями государственного образовательного стандарта высшего... | | Учебно-методический комплекс дисциплины «концепции современного естествознания» Учебно-методический комплекс составлен в соответствии с требованиями государственного образовательного стандарта высшего профессионального... |
| Учебно-методический комплекс дисциплины «Концепции современного естествознания» Контрольный экземпляр находится на кафедре биохимии, микробиологии и биотехнологии | | Рабочая программа дисциплины концепции современного естествознания... Рабочая программа учебной дисциплины «Концепции современного естествознания» подготовлена Голигузовым Д. В., к ф н., доцентом кафедры... |
