Текст книги "Шпаргалка по концепциям современного естествознания"

Автор книги: Анна Барышева

Соавторы: Алексей Кусков,А. Скорик
сообщить о нарушении

Текущая страница: 5 (всего у книги 13 страниц) [доступный отрывок для чтения: 5 страниц]

29. ПРОБЛЕМА ПРОСТРАНСТВА И ВРЕМЕНИ

В классической механике был известен принцип относительности Галилея: если законы механики справедливы в одной системе координат, то они справедливы и в любой другой системе, движущейся прямолинейно и равномерно относительно первой. Такие системы называются инерциальными.

А. Эйнштейн использовал мысленный эксперимент, который получил название «поезд Эйнштейна»: «Представим себе наблюдателя, едущего в поезде и измеряющего скорость света, испускаемого фонарями на обочине дороги, т. е. движущегося со скоростью с в системе отсчета, относительно которой поезд движется со скоростью V. По классической теореме сложения скоростей наблюдатель, едущий в поезде, должен был бы приписать свету, распространяющемуся в направлении движения поезда, скорость с – V...». Однако скорость света выступает как универсальная постоянная природы.

Рассматривая это противоречие, А. Эйнштейн предложил отказаться от представления об неизменности свойств пространства и времени. Данный вывод противоречит здравому смыслу, так как мы не можем представить никакого пространства, кроме трехмерного, и никакого времени, кроме одномерного. Но главный критерий для науки – соответствие теории и эксперимента. Теория Эйнштейна удовлетворяла этому критерию и была принята.

Пространство и время традиционно рассматривались в науке как основные формы существования материи, ответственные за расположение отдельных элементов материи друг относительно друга и за закономерную координацию сменяющих друг друга явлений.

Характеристиками пространства считались однородность – одинаковость свойств во всех направлениях, и изотропность – независимость свойств от направления. Время также считалось однородным, т. е. любой процесс, в принципе, повторим через некоторый промежуток времени. С этими свойствами связана симметрия мира, которая имеет большое значение для его познания. Пространство рассматривалось как трехмерное, а время как одномерное и идущее в одном направлении – от прошлого к будущему. Время необратимо, но во всех физических законах от перемены знака времени на противоположный ничего не меняется, и, стало быть, физически будущее неотличимо от прошедшего.

В истории науки известны две концепции пространства: пространство неизменное как вместилище материи (взгляд И. Ньютона) и пространство, свойства которого связаны со свойствами тел, находящихся в нем (взгляд Лейбница). В соответствии с теорией относительности любое тело определяет геометрию пространства.

Из специальной теории относительности следует, что расстояние между двумя материальными точками и длительность происходящих в нем процессов являются не абсолютными, а относительными величинами. При приближении к скорости света все процессы в системе замедляются, продольные размеры тела сокращаются и события, одновременные для одного наблюдателя, оказываются разновременными для другого, движущегося относительно него.

Итак, пространство и время – общие формы координации материальных явлений, а не самостоятельно существующие независимо от материи начала бытия.

Найденное А. Эйнштейном объединение принципа относительности Галилея с относительностью одновременности получило название принципа относительности Эйнштейна.

30. ПРОБЛЕМА ПОСТРОЕНИЯ ЕДИНОЙ ТЕОРИИ ПОЛЯ

Единая теория поля – это единая теория материи, призванная свести все многообразие свойств элементарных частиц и их взаимодействий к небольшому числу уникальных принципов. Такая теория еще не построена и рассматривается скорее как стратегия развития физики микромира.

Первым примером объединения различных физических явлений (электромагнитных, световых) принято считать уравнения Максвелла.

В специальной теории относительности свойства пространства и времени рассматриваются без учета гравитационных полей, которые не являются инер-циальными. Общая теория относительности распространяет выводы специальной теории относительности на все, в том числе на неинерциальные системы. Общая теория относительности связала тяготение с электромагнетизмом и механикой. Она заменила ньютонов механистический закон всемирного тяготения на полевой закон тяготения. И здесь физика перешла от вещественной к полевой теории.

Три века физика была механистической и имела дело только с веществом. Но «уравнения Максвелла описывают структуру электромагнитного поля. Ареной этих законов является все пространство, а не одни только точки, в которых находится вещество или заряды, как это имеет место для механических законов». Представление о поле победило механицизм. Уравнения Максвелла «не связывают, как это имеет место в законах Ньютона, два широко разделенных события, они не связывают события здесь с условиями там. Поле здесь и теперь зависит от поля в непосредственном соседстве в момент, только что протекший» (А. Эйнштейн, Л. Инфельд). Это существенно новый момент полевой картины мира.

Электромагнитные волны распространяются со скоростью света в пространстве, и аналогичным образом действует гравитационное поле.

Массы, создающие поле тяготения, по общей теории относительности искривляют пространство и меняют течение времени. Чем сильнее поле, тем медленнее течет время по сравнению с течением времени вне поля. Тяготение зависит не только от распределения масс в пространстве, но и от их движения, от давления и натяжений, имеющихся в телах, от электромагнитного и других физических полей. Изменения гравитационного поля распределяются в вакууме со скоростью света. В теории Эйнштейна материя влияет на свойства пространства и времени.

Таким образом, А. Эйнштейн пытался объединить электромагнитные и гравитационные явления на основе общей теории относительности, связывающей гравитационные взаимодействия материи с геометрическими свойствами пространства-времени.

В начале 1970-х гг. была построена объединенная теория слабого и электромагнитного взаимодействий. После этого выдвинули ряд предположений, что при относительно больших энергиях взаимодействующих частиц или при чрезвычайно высокой температуре материи все четыре фундаментальных взаимодействия (гравитационное, электромагнитное, сильное и слабое) характеризуются одинаковой силой (Великое объединение).

Таким образом, единая теория поля остается пока мечтой. Однако неразрывная связь между всеми частицами и их взаимопревращаемость заставляют с неослабевающей настойчивостью искать пути подхода к единой теории электромагнитного поля, призванной объяснить все многообразие форм материи.

31. УНИВЕРСАЛЬНЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ МОДЕЛИ КОРПУСКУЛЫ

Корпускула – это частица в классической физике. В качестве корпускулы будем рассматривать молекулу – наименьшую частицу вещества, обладающую его основными химическими свойствами и состоящую из атомов, соединенных между собой химическими связями. Число атомов в молекуле составляет от двух (Н2) до сотен и тысяч (некоторые витамины, белки). Если молекула состоит из тысяч и более повторяющихся единиц (одинаковых или близких по строению групп атомов), то ее называют макромолекулой.

В физике представление о молекуле возникло в XVIII в. и получило широкое признание в XIX в. в связи с развитием термодинамики и теории газов и жидкостей. Во второй половине XIX в. с помощью различных химических методов были получены многие важные сведения о строении молекул.

Атомы в молекуле связаны между собой в определенной последовательности и определенным образом расположены в пространстве. Наиболее общие характеристики молекул – молекулярная масса, состав и структурная формула, указывающая последовательность химических связей. Прочность межатомной связи характеризуется энергией химической связи, которая составляет обычно несколько десятков кДж/моль. Атомы в молекуле непрерывно совершают колебательные движения. Молекулы, как и атомы, не имеют четких границ. Размеры молекулы можно ориентировочно оценить, зная плотность вещества, молекулярную массу и число Авогадро. Так, если допустить, что молекула Н^О имеет сферическую форму, то диаметр ее окажется равным примерно 3 х 10-8см. Размеры молекулы растут с увеличением числа атомов в них и лежат в пределах 10-8– 10-5см. Молекулу нельзя увидеть невооруженным глазом или с помощью оптического микроскопа, однако существование молекул доказывают многочисленные явления.

Устойчивость молекул в среде зависит от ее взаимодействия с другими атомами, а также от температуры, давления и других внешних факторов. В газообразном состоянии вещество, как правило, состоит из молекул. При достаточно высоких температурах молекулы всех газов распадаются на атомы. Вода во всех агрегатных состояниях состоит из молекул; из молекул построены большинство жидкостей и молекулярные кристаллы. В металлах и других атомных кристаллах, а также их расплавах молекулы, как правило, не существуют, так как в них каждый атом взаимодействует со всеми соседними приблизительно одинаково.

Можно рассматривать в качестве корпускулы и атом – часть вещества микроскопических размеров и массы, наименьшая часть химического элемента, являющаяся носителем его свойств. Каждому химическому элементу соответствует определенный род атомов, обозначаемый химическим символом. Атомы существуют в свободных (в газе) и связанных состояниях. Связываясь друг с другом непосредственно или в составе молекул, атомы образуют жидкие и твердые тела. Все физические и химические свойства атома определяются особенностями его строения.

Атом состоит из тяжелого ядра, обладающего положительным электрическим зарядом, и окружающих его легких частиц – электронов с отрицательными электрическими зарядами, образующих электронные оболочки атомов. Заряд ядра – основная характеристика атома, обусловливающая его принадлежность к определенному элементу.

32. МАССА КАК МЕРА ИНЕРТНОСТИ И ГРАВИТАЦИИ

Масса является одной из основных характеристик материи, определяющих ее инерционные и гравитационные свойства. Понятие «масса» было введено в механику Исааком Ньютоном в определении импульса тела – импульс р пропорционален скорости свободного движения тела: p=mv

– где коэффициент пропорциональности m – постоянная для данного тела величина, его масса. Эквивалентное определение массы получается из уравнения движения классической механики Ньютона: f = ma

Здесь масса – коэффициент пропорци ональности между действующей на тело силой f и вызываемым ею ускорением а. Определенная таким образом масса характеризует свойства тела, являющиеся мерой его инерции (чем больше масса тела, тем меньшее ускорение оно приобретает под действием постоянной силы), и называется инерциальной, или инертной, массой.

В теории гравитации Ньютона масса выступает как источник поля тяготения. Каждое тело создает поле тяготения, пропорциональное массе тела, и испытывает воздействие поля тяготения, создаваемого другими телами, сила которого также пропорциональна массе. Это поле вызывает притяжение тел с силой, определяемой законом тяготения Ньютона:

F = (m1m2) /r2 где r-расстояние между центрами масс тел, G– универсальная гравитационная постоянная, а m1 m2-массы притягивающихся тел. Масса, определяемая таким соотношением, называется гравитационной. Согласно данному определению закона всемирного тяготения, в принципе, возможно, например, измерить гравитационное ускорение, которое вызывает эталонмассой в 1 кг, и всякому объекту, вызывающему такое же ускорение на том же расстоянии, можно приписать массу в 1 кг.

Определения инертной и гравитационной масс на первый взгляд весьма различны. Инертная масса, характеризующая способность тела «сопротивляться» внешним воздействиям, играет пассивную роль, гравитационная же масса порождает притяжение, т. е. является активным началом.

На протяжении сотен лет ученых волновал вопрос: эквивалентны ли эти два понятия? Классический опыт проверки эквивалентности инертной и гравитационной масс осуществил И. Ньютон:

«Я испытывал золото, серебро, свинец, стекло, песок, поваренную соль, дерево, воду и пшеницу. Я достал два одинаковых ящика. Я наполнил один из них деревом, а в центре качаний другого поместил такого же (насколько точно я мог) веса кусок золота. Подвешенные на нитях длиной 11 футов ящики образовали пару маятников, совершенно одинаковых по весу и форме и одинаково подверженных сопротивлению воздуха; поместив их рядом, я наблюдал, как они качались совместно взад и вперед в течение длительного времени с одинаковыми колебаниями. И потому количество вещества в золоте относилось к количеству вещества в дереве как действие движущей силы на все дерево; другими словами, как вес одного к весу другого.

И с помощью этих опытов в телах одинакового веса можно было обнаружить различие в количествах вещества, составляющее одну тысячную общего количества».

В настоящее время эквивалентность гравитационной и инертной масс доказана с точностью до 10-12.

33. ПРИНЦИП ЭКВИВАЛЕНТНОСТИ

Самой важной особенностью поля тяготения является то, что тяготение совершенно одинаково действует на разные тела, сообщая им одинаковые ускорения независимо от массы, химического состава и других свойств тел. Так, на поверхности Земли все тела падают под влиянием ее поля тяготения с одинаковым ускорением – ускорением свободного падения. Этот факт был установлен опытным путем итальянским ученым Галилео Галилеем и может быть сформулирован как принцип строгой пропорциональности гравитационной массы тг, определяющей взаимодействие тела тяготения и входящей в закон тяготения Ньютона, и инертной массы m, определяющей сопротивление тела действующей на него силе и входящей во второй закон механики Ньютона. Уравнение движение тела в поле тяготения записывается в виде:

m1 ? m2 = F ? m ? g

Таким образом, тела разной массы и природы движутся в заданном поле тяготения совершенно одинаково, если их начальные скорости одинаковы. Этот факт показывает глубокую аналогию между движением тел в поле тяготения и движением тел в отсутствии тяготения, но относительно ускоренной системы отсчета. Так, в отсутствии тяготения тела разной массы движутся по инерции прямолинейно и равномерно. Если наблюдать эти тела, например, из кабины космического корабля, который движется вне поля тяготения с постоянным ускорением за счет работы двигателя, то по отношению к кабине все тела будут двигаться с постоянным ускорением, равным по величине и противоположным по направлению ускорению корабля. Движение тел будет таким же, как падение с одинаковым ускорением в постоянном однородном поле тяготения. Силы инерции, действующие в ускоренном космическом корабле, летящем с ускорением, равным ускорению свободного падения у поверхности Земли, неотличимы от сил гравитации, действующих в истинном поле тяготения в корабле, стоящем на поверхности Земли. Следовательно, силы инерции в ускоренной системе отсчета (связанной с космическим кораблем) эквивалентны гравитационному полю. Этот факт выражается принципом эквивалентности Эйнштейна. Согласно этому принципу можно осуществить и процедуру, обратную описанной выше имитации поля тяготения ускоренной системой отсчета, а именно: можно «уничтожить» в данной точке истинное гравитационное поле введением системы отсчета, движущейся с ускорением свободного падения. Так, в кабине космического корабля, свободно (с выключенными двигателями) движущегося вокруг Земли в ее поле тяготения, наступает состояние невесомости и не проявляются силы тяготения.

А. Эйнштейн предположил, что не только механическое движение, но и вообще все физические процессы в истинном поле тяготения и в ускоренной системе в отсутствии тяготения протекают по одинаковым законам.

34. ПРИНЦИПЫ ОТНОСИТЕЛЬНОСТИ

В любых инерциальных системах отсчета (ИСО) вс механические явления протекают одинаково при од! наковых начальных условиях. Это утверждение н; зывается принципом относительности Галилея.

Рассмотрим пример. Пусть от Земли со скс ростьюи в космическом пространстве движется ко(мический корабль. С какой скоростью относительн космонавтов будет распространяться свет от исто' ника, находящегося на Земле? Скорость света в ИС «Земля» равна с, тогда как в ИСО «корабль», удаляк щейся от Земли со скоростью и, скорость света г классическому закону сложения скоростей должн быть равна V = c-u.

Получается, что распространение света в вакуум происходит неодинаково в разных ИСО, т. е. при! цип относительности неприменим.

После установления электромагнитной природ света ученые предприняли попытки обнаружить фа: движения Земли в опытах со световыми волнам Опыты Майкельсонав 1881 г. показали, что скорос! света в вакууме постоянна и одинакова во всех ИСО Два опытных факта – постоянство скорости свет и независимость законов физики от выбора ИСО казались несовместимыми, так как факт постоянстЕ скорости света в разных ИСО прямо противоречи классическому закону сложения скоростей.

Выход из сложившегося в физике положения, пр котором опытные факты не могли получить посл довательного теоретического описания, был найде Альбертом Эйнштейном в 1905 г.

В основу своей теории относительности А. Эйнштейн положил два постулата – обобщения: – принцип относительности – любые физически процессы протекают одинаково в различных ИСО (при одинаковых начальных условиях);

– принцип постоянства скорости света – скорость света в вакууме не зависит от скорости движения источника и наблюдателя.

Принятие двух постулатов привело к необходимости коренных изменений в представлениях о свойствах пространства и времени, принятых в физике, до создания теории относительности – классической физики. Явления, описываемые теорией относительности, но необъяснимые с позиций классической физики, называются релятивистскими (от лат. relativus – «относительный») явлениями или эффектами.

Релятивистский закон сложения скоростей.

Если тело движется со скоростью

в одной системе отсчета, то в другой системе отсчета, относительно которой первая система отсчета движется со скоростью скорость тела определяется выражением:

Зависимость массы тела от скорости. Сохраняющаяся при любых взаимодействиях тел величина называется релятивистским импульсом, равным произведению релятивистской массы тела на скорость его движения:

Релятивистская масса тела возрастает с увеличением скорости по закону:

где m0 – масса покоя тела, v – скорость его движения. Возрастание массы тела с увеличением скорости приводит к тому, что ни одно тело с массой покоя, не равной нулю, не может достигнуть скорости, равной скорости света в вакууме.

Закон взаимосвязи массы и энергии. При любых взаимодействиях изменение полной энергии тела равно произведению изменения массы ?m квадрат скорости света в вакууме:?? = ?m ? c2

35. ИНВАРИАНТНОСТЬ И СОХРАНЕНИЕ МАССЫ

Свойство тела, от которого зависит его ускорение при взаимодействии с другими телами, называется инертностью. Количественной мерой инертности тела является масса тела. Чем большей массой обладает тело, тем меньшее ускорение оно получает при взаимодействии.

Отношение масс взаимодействующих тел равно обратному отношению модулей ускорений:

m1/m2 = a2/a1

За единицу массы в Международной системе принята масса эталона, изготовленного из сплава платины и иридия, называемая килограммом (кг).

Массу mm любого тела можно найти, осуществив взаимодействие этого тела с эталонной массой mm.

Измерив модули ускорений am тела и aэm эталона, можно найти отношение массы тела к массе эталона mm:

mm/mэm = aэm/am

Масса тела может быть выражена через массу эталона mm:

mm = mэm ? (aэm/am)

Масса тела – это физическая величина, характеризующая инертность.

Вес – это сила, с которой тело вследствие притяжения к Земле или другой планете давит на опору.

Вес зависит не только от самого тела. К примеру, вес тела на Земле отличается от веса тела на Луне в 6 раз; на полюсе тело весит на 0,5 % больше, чем на экваторе. При поднятии тела над земной поверхностью в одном каком<нибудь пункте вес становится все меньше и меньше, а тяготеющая масса не изменяется, так как она является характеристикой тела, а не его положения. Отношение весов двух тел в одной и той же точке Земли в любых условиях остается неизменным. В отличие от веса масса является неизменным свойством тела, не зависящим ни от чего, кроме как от этого тела.

Тяготеющая (гравитационная) масса – это один из факторов, от которых зависит сила взаимного притяжения двух тел, что и выражено формулой закона всемирного тяготения:

Здесь m – масса одного тела; M – масса другого тела, а r – расстояние между ними.

Инертная же масса, от которой зависит ускорение a, получаемое телом под действием силы, входит в формулу второго закона Ньютона F = ma.

В применении к свободному падению под действием силы тяжести эта формула принимает вид: P = mg, где P – вес, а g – ускорение силы тяжести. Эту же формулу мы можем получить из формулы закона всемирного тяготения, придав ей вид

и положив

где теперь будет характеристикой поля тяготения тела с массой M (Земля, Луна) на расстоянии r от центра масс.

Следует упомянуть, что по аналогии с законом сохранения заряда существует закон сохранения массы.

Масса любой замкнутой физической системы, в которой отсутствует поток массы как внутрь системы, так и наружу, с течением времени остается постоянной.

Если растворить сахар в воде, то масса раствора будет строго равна сумме масс сахара и воды. При любом дроблении и при растворении масса остается одной и той же. То же самое имеет место и при любых химических превращениях.

При взвешивании для определения массы используется способность всех тел взаимодействовать с Землей. Тела, обладающие одинаковой массой, одинаково притягиваются к Земле.

Если взять два тела с массами m1 и m2, соединить их и измерить массу получившегося тела, то его масса m3 оказывается равной сумме масс m1 и m2 этих тел:

m3 = m1+ m2. Это позволяет определить массу тел уравновешиванием с помощью набора гирь на равноплечих весах.