Этапы становления науки. Мегамир. Микромир. КСЕ.

Задание № 26.Этапы становления науки (по К. Ясперсу). Введите понятия «революция» и «научная революция». Глобальные научные революции (их этапы, основной результат и исторический смысл).
В своей работе «Смысл и назначение истории» Карл Ясперс разделил становление науки на три основных этапа:
·        Рационализация, как «донаучная наука» (рационализация мифов и магии)
·        Осознанная наука (становление логически и методически осознанной науки – греческая наука и зачатки науки в Китае и Индии)
·        Современная наука (берущая свое начало в конце средневековья, утвердившейся в XVIIвеке и окончательно сформировавшейся в XIXвеке).
   Революция (от позднелат. revolutio — поворот, переворот, превращение, обращение) — радикальное, коренное, „революционное“, глубокое качественное изменение, скачок в развитии природы, общества или познания, сопряжённое с открытым разрывом с предыдущим состоянием. Революцию как качественный скачок в развитии, разрыв постепенности, отличают и от эволюции (где развитие происходит постепенно) и от реформы (в ходе которой производится изменение какой-либо части системы без затрагивания существующих основ).
      Из выше написанного понятно, что научная революция означает радикальное изменение всех элементов науки: фактов, закономерностей, теорий, методов, научной картины мира. В науке имеют значение не сами факты, а их интерпретация, объяснение. Сам по себе факт, не включенный в ту или иную объяснительную схему, науке безразличен. Только с той или иной интерпретацией он имеет смысл. Например, наблюдаемый факт движения Солнца по небосводу поддается  нескольким интерпретациям: и геоцентрической и гелиоцентрической, а вот переход от одной к другой и есть переворот (революция).
   В истории развития науки вообще и естествознания в частности можно выделить три основных глобальных  научных революции: «аристотелевская», «ньютоновская» и «эйнштейновская».
   В VI– IVвв. до н.э. была осуществлена первая революция в познании мира, в результате которой и появляется на свет сама наука. Исторический смысл этой революции заключается в отличении науки от других форм познания и освоения мира, в создании определении норм и образцов построения научного знания. Наиболее ясно наука проявилась в трудах великого древнегреческого философа Аристотеля. Он создал формальную логику, то есть фактически учение о доказательстве – главный инструмент введение и систематизации знания: разработал категориально - понятийный аппарат, утвердил своеобразный канон организации научного исследования(история вопроса, постановка проблем, аргументы «за» и «против», обоснование решения), предметно дефференцировал само научное знание, отделив науки о природе от метафизики (философии), математики и т.д.
   Важнейшим фрагментом античной научной картины мира стало последовательное геоцентрическое учение о мировых сферах. Геоцентризм той эпохи вовсе не был «естественным» описанием непосредственно наблюдаемых фактов. Это был трудный и смелый шаг в неизвестность.
   Вторая глобальная научная революция происходит на XVI-XVIIIвв. Ее исходным пунктом считается переход от геоцентрической к гелиоцентрической модели мира. Это самый заметный признак смены научной картины мира. Он мало отражает суть произошедших перемен. Общий смысл обычно определяется формулой: становление классического естествознания. Первопроходцами в этот период были признаны: Н. Коперник, Г. Галилей, И. Кеплер, Р. Декарт, И. Ньютон.
Принципиальные отличия созданной ими науки:
1.     Новое естествознание сумело выделить строго объективные качественные характеристики земных тел (форма, величина, масса, движение) и выразить их в строгих математических закономерностях.
2.     Наука нашла мощную опору в методах экспериментального исследования явлений со строго контролируемыми условиями.
3.     Появилась концепция бесконечной, с определенными законами, Вселенной.
4.     Возникла мощная тенденция сведения (редукции) всех знаний о природе к фундаментальным принципам и представлениям механики. Утвердилась механическая картина  природы.
5.     Сформировался четкий идеал научного знания: установленная абсолютная картина мира природы, которую можно подправлять в деталях, но радикально менять нельзя. Появилось разделение субъекта и объекта познания. Объект существует сам по себе, а субъект (тот, кто познает) со стороны наблюдает и исследует объект, при этом ни чем не связанным и не обусловленным в своих выводах, которые в идеале воспроизводят характеристики объекта так, как он есть «на самом деле».
   Таковы особенности «ньютоновской революции». Ее итог: механическая научная картина мира на базе экспериментально – математического естествознания. В общем русле этой революции наука развивалась до конца XIXв. За это время было сделано много выдающихся открытий, но они лишь усложнили общую картину мира, не покушаясь на ее основы. «Потрясение основ» - третья научная революция – случилось на рубеже XIX– XXвеков. Благодаря серии блестящих открытий в физике (открытие сложной структуры атома, явление радиоактивности, дискретного характера электромагнитного излучения и т.д.) была практически разрушена базовая предпосылка механической картины мира – убежденности в том, что с помощью простых сил, действующих между неизменными объектами, можно описать все явления природы и что универсальный ключ к пониманию происходящего дает в конечном счете механика И. Ньютона.
   Наиболее значимыми теориями стали теория относительности (специальная и общая) и квантовая механика. Наиболее контрастные изменения состояли в следующем:
1.     Любое наше представление, в том числе и вся научная картина мира в целом, релятивны, т.е. относительны.
2.     Новая картина мира переосмыслила исходные понятия пространства, времени, причинности, непрерывности.
3.     Неклассическая естественно – научная картина мира отвергла классическое противопоставление субъекта и объекта познания. Объект перестал восприниматься как существующий «сам по себе». Его научное описание оказалось зависимым от определенных условий познания (учет состояния движения систем отсчета при признании постоянства скорости света; способа наблюдения (класса приборов) при определении импульса или координат микрочастицы и пр.).
4.      Изменилось и «представление» естественно – научной картины мира о самой себе: стало ясно, что абсолютно точную картину не удастся нарисовать никогда, т.к. любая из таких «картин» может обладать лишь относительной истинностью.
   Эйнштейновская революция в естествознании началась с появлением принципиально новых фундаментальных теорий, их утверждение привило к смене теоретико-методологических установок во всем естествознании.
   Таким образом, три глобальные научные революции предопределили три длительных стадии развития науки, каждой из которых соответствует своя общенаучная картина мира. Революционные сдвиги затрагивающие основы фундаментальных наук определяют общие контуры научной картины мира на длительный период.
Задание № 66. Основные типы взаимодействия в микромире. Сильное взаимодействие. Слабое взаимодействие. В чем их сущность и каковы их специфические особенности? Взаимопревращение элементарных частиц при слабом взаимодействии.
   Микромир – мир предельно малых, непосредственно не наблюдаемых микрообъектов, пространственная размеренность которых исчисляется от 10-8 до 10-16 см, а время жизни – от бесконечности до 10-24 с.
К настоящему времени известны четыре вида основных фундаментальных взаимодействий:
·        гравитационное,
·        электромагнитное,
·        сильное,
·        слабое.
Гравитационное воздействие характерно для всех материальных объектов вне зависимости от их природы. Оно заключается во взаимном притяжении тел.
Электромагнитное взаимодействие связано с электрическими и магнитными полями. Электрическое поле возникает при наличии электрических зарядов, а магнитное – при их движении. В природе существуют как положительные, так и отрицательные заряды, что и определяет характер их взаимодействия.
Сильное взаимодействие  обеспечивает связь нуклонов в ядре и определяет ядерные силы, которые обладают зарядовой независимостью, короткодействием, насыщением и другими свойствами.
Слабое взаимодействие описывает некоторые виды ядерных процессов. Оно короткодействующее и описывает все виды бета-превращений.
   Для количественного анализа перечисленных взаимодействий используют две характеристики: безразмерную константу взаимодействия, определяющую величину взаимодействия, и радиус действия (таблица 1) .
                Таблица 1.   

 
   По данным таблицы 1 видно, что константа гравитационного взаимодействия  самая малая. Радиус действия его, как и электромагнитного взаимодействия, неограничен. Гравитационное взаимодействия в процессах микромира существенной роли не играет.
   Сильное взаимодействие отвечает за устойчивость ядер и распространяется  только в пределах размеров ядра. Чем  сильнее взаимодействуют нуклоны в ядре, тем оно устойчивее,  тем больше его энергия связи, определяемая работой, которую необходимо совершить, чтобы разделить нуклоны и удалить их друг от друга на такие расстояния, при которых взаимодействие становится равным нулю. С возрастанием размера ядра энергия связи уменьшается. Так ядра элементов, находящиеся в конце таблицы Менделеева, неустойчивы и могут распадаться. Такой процесс часто называют радиоактивным распадом.
    Взаимодействие между атомами и молекулами имеет преимущественно электромагнитную природу. Таким взаимодействием объясняется образование различных агрегатных состояний веществ: твердого, жидкого и газообразного. Например, между молекулами вещества в твердом состоянии взаимодействие в виде притяжения проявляется гораздо сильнее, чем между теми же молекулами в газообразном состоянии.
   Слабое взаимодействие ответственно за распады частиц. Поэтому с его проявлением столкнулись при открытии радиоактивности и исследовании бета-распада. У бета-распада обнаружилась в высшей степени странная особенность. Создавалось впечатление, что в этом распаде как будто нарушается закон сохранения энергии, что часть энергии куда-то исчезает. Чтобы «спасти» закон сохранения энергии, В. Паули предположил, что при бета-распаде вместе с электроном вылетает, унося с собой недостающую энергию, еще одна частица. Она — нейтральная и обладает необычайно высокой проникающей способностью, вследствие чего ее не удавалось наблюдать. Э. Ферми назвал частицу-невидимку «нейтрино».
   Но предсказание нейтрино — это только начало проблемы, ее постановка. Нужно было объяснить природу нейтрино, здесь оставалось много загадочного. Дело в том, что электроны и нейтрино испускались нестабильными ядрами, но было известно, что внутри ядер нет таких частиц. Как же они возникали? Выяснилось, что входящие в состав ядра нейтроны, предоставленные самим себе, через несколько минут распадаются на протон, электрон и нейтрино. Какие же силы вызывают такой распад? Анализ показал, что известные силы не могут вызвать такой распад. Он, видимо, порождался какой-то иной, неизвестной силой, которой соответствует некоторое «слабое взаимодействие».
      Когда началось лавинообразное открытие множества нестабильных субъядерных частиц, то обнаружилось, что большинство из них участвуют в слабом взаимодействии. Слабое взаимодействие играет в природе очень важную роль. Оно является составной частью термоядерных реакций на Солнце, звездах, обеспечивая синтез пульсаров, взрывов сверхновых звезд, синтез химических элементов в звездах и др.
Задание № 109.Теория Мегамира – общая теория относительности А. Эйнштейна (ОТО) – теоретическая основа современной космологии. Введите понятие «неинерциальные системы отсчета». Общий принцип относительности. Принцип эквивалентности. В чем причина тяготения? Искривление пространства – времени в гравитационном поле. Геодезическая линия. Каково соотношение классической механики и ОТО? Что значит гравитация (по Ньютону) и гравитация (по Эйнштейну)? Эмпирические доказательства ОТО.
   Мегамир - мир огромных космических масштабов и скоростей, расстояние в котором измеряется световыми годами, а время существования космических объектов – миллионами и миллиардами лет. Мегамир,  или космос, современная наука рассматривает как взаимодействующую и развивающуюся  систему всех небесных тел. Мегамир имеет системную организацию в форме планет и планетных систем, возникающих вокруг звезд; звезд и звездных систем – галактик.
   Строение и эволюция Вселенной изучается космологией. Космология как раздел естествознания, находится на своеобразном стыке науки, религии и философии.
   Современные космологические модели Вселенной основываются на общей теории относительности А. Эйнштейна, согласно которой метрика пространства и времени определяется распределением гравитационных масс во Вселенной. Ее свойства как целого обусловлены средней плотностью материи и другими конкретно – физическими факторами.
   Современная релятивистская космология строит модели Вселенной, отталкиваясь от  основного уравнения  тяготения, введенного А. Эйнштейном в общей теории относительности. Уравнение тяготения А. Эйнштейна имеет не одно, а множество решении, чем и обусловлено наличие многих космологических моделей Вселенной.
Общий принцип относительности.
Впервые принцип относительности был сформулирован Галилеем для механического движения. Механическое движение относительно, и его характер зависит от системы отсчета. Та система, по отношению к которой выполняется первый закон Ньютона, называется инерциальной системой отсчета. Это такая система, которая либо покоится, либо движется прямолинейно и равномерно относительно какой-то другой неподвижной или движущейся прямолинейно и с постоянной скоростью системы. Первый закон Ньютона утверждает существование инерцианальных систем отсчета. Он гласит: тело остается в состоянии покоя или движется с постоянной скоростью (без ускорения), если оно предоставлено самому себе, то есть если на него не действуют никакие внешние силы. Это означает, что

   Если системы отсчета движутся относительно друг друга равномерно и прямолинейно и в одной из них справедливы законы динамики Ньютона, то эти системы инерциальны.
   Установлено что во всех инерциальных системах отсчета законы классической динамики имеют одинаковую форму; в этом сущность механического принципа относительности – принципа относительности Галилея. Он означает, что уравнения динамики при переходе от одной инерциальной системы к другой не изменяются, то есть инвариантны по отношению к преобразованию координат. Галилей обратил внимание на то, что ни какими механическими опытами, проведенными в данной инерциальной системе отсчета,  нельзя установить, покоится она или движется равномерно и прямолинейно. Например, сидя в каюте корабля, движущегося равномерно и прямолинейно, мы, не выглянув в окно, не можем определить, движется ли корабль.
   Современная формулировка принципа относительности такова:
все инерциальные системы отсчета равноправны между собой (неотличимы друг от друга) в отношении протекания физических процессов или, другими словами, физические процессы не зависят от равномерного и прямолинейного движения системы отсчета.  
   Принцип относительности помогает также понять, почему именно скорость света, а не какая-нибудь другая, играет столь важную роль в этой модели строения мира — этот вопрос задают многие из тех, кто впервые столкнулся с теорией относительности. Скорость света выделяется и играет особую роль универсальной константы, потому что она определена естественнонаучным законом (см.Уравнения Максвелла). В силу принципа относительности скорость света в вакууме одинакова в любой системе отсчета. Это, казалось бы, противоречит здравому смыслу, поскольку получается, что свет от движущегося источника (с какой бы скоростью он ни двигался) и от неподвижного доходит до наблюдателя одновременно
Принцип эквивалентности.
   Вам, возможно, доводилось испытывать странные физические ощущения в скоростных лифтах: когда лифт трогается вверх (или тормозит при движении вниз), вас придавливает к полу, и вам кажется, что вы на мгновение потяжелели; а в момент торможения при движении вверх (или старта при движении вниз) пол лифта буквально уходит у вас из-под ног. Сами, возможно, того не сознавая, вы испытываете при этом на себе действие принципа эквивалентности инертной и гравитационной масс. Когда лифт трогается вверх, он движется с ускорением, которое приплюсовывается к ускорению свободного падения в неинерциальной (движущейся с ускорением) системе отсчета, связанной с лифтом, и ваш вес увеличивается. Однако, как только лифт набрал «крейсерскую скорость», он начинает двигаться равномерно, «прибавка» в весе исчезает, и ваш вес возвращается к привычному для вас значению. Таким образом, ускорение производит тот же эффект, что и гравитация.
   Теперь представьте, что вы находитесь в открытом космосе вдали от любых сколько-нибудь значительных гравитационных полей, но при этом ваш корабль движется с ускорением 9,8 м/с2. Если вы встанете на весы, то обнаружите, что вес вашего тела не отличается от веса вашего тела на Земле. Если вы возьмете шар и отпустите его, он, как и на Земле, упадет на пол, и, если измерить изменение скорости его падения в пути, окажется, что он падал равноускоренно всё с тем же ускорением 9,8 м/с2, то есть динамика его падения ничем не отличается от земной. Принцип эквивалентности как раз и гласит, что, находясь в какой-либо замкнутой системе, вы не можете определить, вызвано ускорение свободно движущегося тела в ней гравитационным полем или же оно является собственным ускорением неинерциальной системы отсчета, в которой вы находитесь, иными словами, обусловлено действием силы инерции.
   Из принципа эквивалентности следуют интересные предсказания относительно поведения света в гравитационном поле. Представьте, что в момент ускоренного движения вверх при старте лифта вы послали световой импульс (например, при помощи лазерной указки) в направлении мишени на противоположной стене лифта. За то время, пока импульс света находится в пути, мишень вместе с лифтом ускорится, и световая вспышка на стене окажется ниже мишени. (Конечно же, в земных условиях вы этого отклонения не заметите, так что просто представьте, будто вы способны рассмотреть отклонение на тысячные доли микрона.) Теперь, возвращаясь к принципу эквивалентности гравитации и ускорения, можно сделать вывод, что аналогичный эффект отклонения светового луча должен наблюдаться не только в неинерциальной системе, но и в гравитационном поле. Для светового луча, согласно обобщенному принципу эквивалентности сил гравитации и инерции, введенному Эйнштейном в число постулатов общей теории относительности, отклонение светового луча звезды, проходящего по касательной к периметру Солнца, должно составлять около 1,75 угловых секунд (примерно одна двухтысячная градуса), в то время как в рамках классической механики Ньютона луч также должен отклоняться в силу того, что свет обладает массой, но на значительно меньший угол (около 0,9 угловых секунд). Таким образом, измерения, проведенные сэром Артуром Эддингтоном (Arthur Eddington, 1882–1944) во время полного солнечного затмения 1919 года и выявившие отклонение луча на угол 1,6 угловых секунд, стали триумфальным экспериментальным подтверждением общей теории относительности.
   Следуя аналогичным рассуждениям, нетрудно увидеть, что принцип эквивалентности предсказывает, что в спектре светового луча, направленного в сторону уменьшения интенсивности гравитационного поля (в земных условиях — вверх), должно наблюдаться красное смещение, и это предсказание также получило свое экспериментальное подтверждение.
   Принцип эквивалентности — лишь один из постулатов общей теории относительности. Он ограничивается рассмотрением эффектов гравитации и равноускоренного движения, однако каждое подтверждение принципа эквивалентности является одновременно и подтверждением общей теории.
      Повседневный опыт показывает, что тела действуют друг на друга, порождая всевозможные изменения движения. Взаимодействие тел в макромире происходит под действием силы тяготения или электромагнитных сил. Сила - физическая мера взаимодействия тел и причина изменения их механического движения, то есть перемещения относительно друг друга.
   Источником силы в соответствии с законом всемирного тяготения является масса тела.
   Масса выступает не только как мера гравитационного взаимодействия, но и как мера инертности тел, то есть способности тел сопротивляться воздействию сил, стремящихся изменить состояние их движения, изменить их скорость. В этой связи говорят о массе тяжелой как мере гравитационного взаимодействия и о массе инертной как о мере инертности. Согласно закону Ньютона о противодействующих силах такое утверждение означает, что сила тяготения  должна быть прямо пропорциональной не только массе притягиваемого тела m1, но и массе притягивающего тела m2, то есть произведению масс обоих взаимодействующих тел. Если взаимодействующие тела принять за материальные точки, расположенные на расстоянии Rдруг от друга, то для силы гравитационного взаимодействия Fможно написать:
где  G– гравитационная постоянная.
   Данной формулой определяется закон всемирного тяготения, сформулированный Ньютоном.
   Относительно точные измерения показывают, что массы тяжелая и инертная равны между собой.  Этот факт, никак не объясняемый классической механикой, фигурирует в общей теории относительности, в которой понятие силы оказывается лишним – в поле тяготения тела движутся как бы «сами по себе» по кратчайшим путям – геодезическим линиям (кривая определённого типа, обобщение понятия «прямая » в искривлённых пространствах. Конкретное определение геодезической зависит от типа пространства. Например, на двумерной поверхности, вложенной в евклидово трёхмерное пространство, геодезические линии — это линии, достаточно малые дуги которых являются на этой поверхности кратчайшими путями между их концами. На плоскости это будут прямые, на круговом цилиндре — винтовые линии, на сфере — большие круги.) – в искривленном пространстве-времени. При этом поле тяготения и есть по существу искривленное физическое пространство, создаваемое массами вещества.
   В физике пространство рассматривается в общем виде как изменения состояний физической системы, и для описания состояний вводится набор  измеряемых параметров, к которым относятся пространственно – временные координаты, или точки пространственно- временного континуума, означающего непрерывное множество. Так же используются и другие параметры состояний систем: импульс, энергия, температура, спин и т.п.
   В строгом определении время выражает порядок смены физических состояний и является объективной характеристикой любого физического процесса  или явления; оно универсально.
   Ньютон различал абсолютное и относительное время. В своих фундаментальных «Математических началах натуральной философии» он писал:
   «Абсолютное, истинное математическое время само по себе и по своей сущности, без всякого отношения к чему либо внешнему, протекает равномерно и иначе называется длительностью.
   Относительное, кажущиеся или обыденное время есть или точная, или изменчивая постигаемая чувствами внешняя, совершаемая при посредстве какого-либо движения, мера продолжительности,  употребляемая в обыденной жизни вместо истинного математического времени.
   Течение абсолютного времени изменятся, не может.  Длительность или продолжительность существования вещей  одна и та же, быстры ли движения (по которым измеряется время), медленны ли или их вообще нет… Время и пространство составляют как бы вместилища самих себя и всего сущего».
    Аналогичные пространства Ньютон высказывал и в отношении пространства.
   Течение времени зависит от скорости движения системы отсчета. При достаточно большой скорости, близкой к скорости света, время замедляется, т.е. возникает релятивитское замедление времени. Поле тяготение приводит к гравитационному замедлению  времени. Можно говорить только о локальном времени в некоторой системе отсчета. В этой связи время не есть сущность, не зависящая от материи.  Оно течет с различной скоростью в различных физических условиях. Время всегда относительно.
   Важная особенность времени выражается в постулате времени: одинаковые во всех отношениях явления происходят за одинаковое время.
   Пространство выражает порядок существования физических тел.
   По аналогии с абсолютным временем Ньютон ввел понятие абсолютного пространства, которое может быть совершенно пустым, существуя не зависимо от наличия в нем физических тел, и является как бы мировой сферой, где разыгрываются физические процессы.
   Специальная теория относительности объединила пространство и время в единый континуум пространство-время. Основанием для этого послужили постулат о предельной скорости передачи взаимодействий материальных тел – скорости света равной в вакууме приблизительно 300000 км/с., и принцип относительности. Из данной теории следует относительность одновременности двух событий, происшедших в разных точках пространства, а так же относительность измерений длин и интервалов времени, произведенных в разных системах отсчета, движущихся относительно друг друга. Все это означает  что для реального мира пространство имеют не абсолютный, а относительный характер.
Список литературы:
1.     Концепции современного естествознания: Учебник для вузов/ В.Н. Лавриненко, В.П. Ратников, Г.В. Баранов и др.; под ред. проф. В.Н. Лавриненко, В.П. Ратникова – 2-е изд., перераб. И доп. – М.: ЮНИТИ – ДАНА, 2000 – 303с.
2.     Найдыш В.М.
Н20 Концепции современного естествознания: Учебник. — Изд. 2-е, перераб. и доп. – М.: Альфа-М; ИНФРА-М, 2004. — 622 с. (в пер.)
3.     Карпенков С.Х.
К26 Концепции современного естествознания: учебник для вузов. – М.: Академический проект, 2002. Изд. 4-е, испр. и доп. – 640 с.