Лекции по Концепциям Современного Естествознания (КСЕ)

Концепции Современного Естествознания.

Конспект лекций.

Преподаватель: Горбатова Раиса Кузьминична.

1 курс, 1 семестр.

01 лекция

Наука – часть культуры.

Черты современной науки:

Наука общезначима, то есть полученные знания пригодны для всех людей на Земле.
Язык науки – формулы и символы, которые понятны всем вне зависимости от национальности и языка.
В любом научном исследовании присутствуют элемент незавершенности – Никогда нельзя знать до конца. Нет абсолютной истины!
Наука внеморальна. Все, что исследуется морально и этически нейтрально. Учёный морален и отвечает за своё исследование.
Преемственность. Новые знания всегда соотносятся со старыми.
Наука достоверна: все научные выводы проходят неоднократную теоретическую и практическую проверку.

Динамика развития современной науки.

Развитие науки определяется внутренними и внешними факторами.

Внутренние – динамика развития самой науки внутри себя. (Отрицательный результат является результатом!) Скачкообразность развития науки (внутренний фактор).

Всегда имеется качественно отличие новой теории от старой (Может быть и полный отказ от теории [теплород]). Развитие происходит революционно!

Внешние – влияние государственной системы. Государство часто тормозит развитие науки.

Противоречивость современной науки.

Фрагментарность: изучение по частям, без влияния внешних факторов. Раньше способствовала развитию науки, теперь мешает. Анализ – прошлое, для современной науки характерен синтез, комплексность.

Примеры синтеза: биохимия, физхимия, экология.

Природе вредят незамкнутые циклы, например:

Крекинг нефти – бензин – ДВС – ВОЗДУХ!!!

Калифорнийский телескоп обошелся США в 18 миллиардов долларов.

В проект «Геном человека» ежегодно вкладывается 4-5 миллиардов долларов.

В развитых странах на науку затрачивается 3-4% ВВП. В РФ – 2,85% ВВП.

От развития науки зависит обороноспособность, производственный потенциал.

В XX-м веке объем научной информации удваивался каждые 10-15 лет, в XXI – 5-8 лет. Бурно сейчас развиваются биология, космонавтика.

В 1900-м году в мире было 100 тыс. учёных, а в конце XX в. было 5,5 миллионов – 1 из 800 землян.

Естествознание – это раздел науки, который изучает явления и законы природы.

Цель естествознания – описать, систематизировать и объяснить природные явления и процессы.

Найти причинно-следственную связь.

Основные: Механика, физика, химия, биология.

Смежные: физхимия, биохимия, биофизика.

Прикладные: Геохимия, география, палеонтология.

Концепции – это система взглядов на одну и ту же проблему с разных сторон. Современные концепции – это освещение наиболее перспективных направлений в естествознании.

Естественные науки – базисный фундамент экономики.

Общая характеристика естествознания

Естественные науки		Математические науки.

Фундаментальные науки

Теоретические прикладные		Практические прикладные

Прикладная наука выгоднее в плане субсидирования – даёт относительно быстрый оборот денег, поэтому субсидирование коммерческое тоже. Фундаментальные науки субсидируются только государством из-за больших сроков обращения (20, 50, 100 лет).

Сокращаются расходы на фундаментальные исследования.

Фундаментальные проблемы – проблемы, возникающие внутри самой науки, и разработка этих проблем поднимает науку на более высокий уровень развития, но извне может не требоваться.

Прикладные науки – основанные на требованиях извне.

Только фундаментальные исследования двигают науку вперед.

От государства выдвигается требование к фундаментальным наукам:

Естествознание и религия – борьба духовное лидерство. Борьба исторически принимала очень жестокие формы. Преподавателями до XVI века были священнослужители. Первые светские преподаватели – Дарвин, Ломоносов.

В XVII веке церковь уничтожила более 50000 «еретиков» - ведьм, учёных (алхимиков, астрономов).

Атеисты считают, что наука и религия несовместимы.

Наука и религия идут параллельно, у них разные объекты исследования.

Религия – это вера, объект – душа человека, поэтому обращена она внутрь человека.

В науке же объектом является реальный мир.

Требуется, чтобы церковь была отделена от управления государством.

У любого учёного, даже атеиста, есть вера, вера в то, что он делает, интуиция.

Суеверия не соотносятся ни с теологией, ни с наукой. Религия изучает догмы, не имеющие развития, в отличие от науки, которая ищет опытным путём и не основывается на вере, на догмах. Суеверия – остатки мистических и мифологических представлений, язычества.

Естествознание и философия.

Философский принцип – относительный характер понятий, законов, теорий всех наук, изучающих природу и общество.

Философское изучение мира в целом. Философские утверждения незыблемы и неопровержимы. Пример: В одну и ту же реку нельзя войти дважды.

Философия не требует эксперимента.

Основные законы природы связывают естествознание с философией:

02 лекция

Предмет естественнонаучного познания и его методы.

Предмет естественнонаучного познания – постижение истины.

Предела для естественнонаучного познания не существует, то есть, процесс познания для человека развивается постоянно.

Истина – это правильное, адекватное отражение объективной действительности в сознании человека.

Поэтому любая истина объективна, то есть, не зависит от человека.

Качества:

Истина относительна, то есть, она отражает объект или явление природы только на данном этапе развития науки. Но любая относительная истина содержит элемент абсолютной, иначе наука не двигалась бы вперед.
Истина всегда конкретна. Знания об объекте относительны к определенным условиям его существования.

Критерий истины – практика и эксперимент. Если научная теория подтверждена практикой, то такая теория истинна. Практика включает производительную деятельность!

Практика – движущая сила научного познания. Она не даёт науке оторваться от реальности.

Все научное знание, как и истина, всегда относительно, то есть, абсолютного знания не существует.

Задача любого учёного – расширить интервал адекватности.

Методы естественнонаучного познания.

Метод – это совокупность действий и приёмов, с помощью которых достигается желаемых результат. Научный метод – это инструмент для получения научных результатов.

На каждом уровне научного познания свой метод:

· наблюдение, измерение, эксперимент.

Приёмы:

Применение математики в естествознании.

Формализация – это использование специальной символики, которая заменяет конкретные реальные объекты. Формализация в естествознании – математическое описание объектов и явлений.

Краткость, чёткость, компактность записи, информация в виде математических уравнений.

E=mc²

Формализация является методом теоретического познания.

Употребление химических символов:

Ca + Cl₂ CaCl₂

Употребление биологических символов:

aa AA

Математика – универсальный язык естествознания.

Платон в IV веке до н.э. организовал первую академию в честь рощи Акадèма. На входе велел написать: «Не геометр да не войдёт сюда».

Галилео Галилей (XVI в.): «Книга природы написана языком математики».

Впервые в естествознании применил первым математику Птолемей – рассчитал геоцентрические орбиты.

Ньютон в классической механике применил дифференциальное и интегральное счисление для расчетов движения.

· XX века нашла применение при создании логических машин, нашла своё место в кибернетике).

Аналоговые машины двигаются сейчас к созданию искусственного мозга.

Обобщения очень важны для развития науки (уравнения Максвелла).

Математический язык понимается как вид организованности Вселенной.

Существуют три вида:

Два первых вида наполняют Вселенную гармонией, чёткостью, третий наполняет Вселенную смыслом.

Естественнонаучная картина мира – это система важнейших принципов и законов, которыми можно описать окружающий мир в определенный период развития науки.

Механистическая картина мира. Никаких случайностей в механистической картине мира не было. Господствовала классическая механика. Религиозная основа, все от Бога. Не существует движения, кроме механического. V<<C. макромир Все механические процессы подчинялись принципу сложного детерминизма. Детерминизм в науке – это точное и однозначное определение состояния любой механической системы. Мир работает как отлаженная система. Детерминизм в обществе – фатализм - предопределенность. Пьер Симеон Лаплас	Электромагнетическая картина мира (Фарадей, Максвелл) Поле	Атомная (квантовая) Ø_ат≈10^-10 м Ø_я≈10^-12 м Скорость различная, близка к скорости света. микромир	Современная картина мира (с 60-х гг. ХХ в.) Информационная картина мира. Основа на самоорганизацию систем, как живых, так и неживых. Синергетика. Самоорганизация основана на вероятностях.

Релятивистская теория. Мегамир и микромир R_c≈7∙10⁸ V®C Мир больших скоростей и масс.

Уровни развития познания природы естествознанием.

SHAPE * MERGEFORMAT

созерцательная натурфилософия

Др. века

Сер. XVI

Уровни развития

Аналитические уравнения

Сер. XIX

Синтетический

интеграция

Нач. XX

Наше время

Созерцательный уровень – общие представления об окружающем мире. Мир предстает чем-то целым, неразделенным. Нет эксперимента, только мысли, идеи, умозаключения. Демокрит, Сократ, Эпикур, Платон: «Практическая польза от наук второстепенна».

Аналитический – начало фрагментарности, появление эксперимента. Разделение природы на объекты. Галилей. Выделение физики, биологии, химии. Они находятся в иерархии:

Фундаментальная механика

Механика молекул

Физика атомов - химия

Химия белковых молекул, биология

Такое разделение провел Кекуле.

Фрагментарность привела к анализу, чего раньше не было.

Синтетический уровень – усугубление фрагментарности, приведшая к гранизцам наук – к синтезу (радиационная химия, биофизика…). Привело к получению общих уравнений, например, уравнений Максвелла.

Интеграционный – рождение универсальных теорий.

Основные этапы развития физики.

SHAPE * MERGEFORMAT

Др. и ср. века

Кл. мех.

Совр. Физ.

Др. века

Нач. XVII

Кон. XIX

Наше время

Уровень Развития

            В древние века понятие «физика» подразумевало космос (греч.) – «порядок», отражение совершенного порядка на Земле.

            Первое впечатление о Земле – что она плоская.

            Первое понятие о космосе – эгоцентризм.

            В V веке до н.э. Анаксимандр говорил, что Земля шар и ни на что не опирается, это уже геоцентризм.

            В I веке до н.э. Птолемей математически рассчитал геоцентрическую модель.

            В VI веке до н.э. Аристотель сказал, что вокруг Земли расположен хрустальный небосвод со звёздами.

            Гелиоцентризм.

            В III веке до н.э. Аристарх Клавдий из Самоса преполагал, что солнце неподвижно, и все вращается вокруг него.

            В начале XVII века – 17 февраля 1600 года сожжен на костре Джордано Бруно.

            Коперник (1473-1543) утверждал, что Земля – не центр мироздания, его учение было признано в 1835-м году.



03 лекция

Ньютон (1643-1727) создал дифференциальную и интегральную систему.

1687 г. – «Математические начала натуральной философии».

XIX век – открытие поля (альтернативного вида материи).

В 1837 году Фарадей (1791-1867) открыл электромагнитное поле.

В 1877 году Максвелл создал первую объединенную теорию – объединил электричество, магнетизм и оптику.

Современная физика – конец XIX века – открытие рентгеновских лучей, микромира.

Квантовую механику впервые доложил 14 декабря 1900 года Макс Планк – энергия излучения не постоянна, а дифференцирована – излучается квантами.

            E=hn

            В 1905 году Эйнштейн получает Нобелевскую премию.

Концепции материи и движения.

            Фундаментом естественнонаучной картины мира (ЕНКМ) являются общие понятия:

·

·

·

·

·

            Материя_(физ.) – это все то, что прямо или косвенно (опосредованно) воздействует на органы чувств человека.

            Материя_{(философ.)} – это реальность, данная нам в ощущениях и независимая от человека.

            Движение – это любое изменение, которое происходит с материальными объектами в результате их взаимодействий. Материя не существует без движения.

            Движение – это необъемлемое свойство материи. Материя не существует без форменного состояния, она дискретна.

            Тело® молекулы® атомы® протоны, нейтроны, электроны® кварки

В современной физике различают три вида материи:

1.

2.

3.      XX)

            Вещество – это любые материальные объекты, имеющие массу. Кроме массы может быть электрический заряд. Элементарные частицы (нейтрино имеют массу, 2002 год).

            У вещества есть четыре агрегатных состояния:

Твердое

Жидкое

Газообразное

Плазма

            Состояние материального объекта характеризуется физическими величинами, или параметрами состояния: координаты, энергия, температура, масса, спин, энтропия, состав.

            Переход от одного состояния к другому есть движение материи.

            Виды движения:

1.

2.

3.

4.

5.

6.

7.

8.

9.



            Поле – особое состояние среды, в каждой точке которой заданы параметры, которые характеризуют состояние вещества и которые непрерывно и плавно меняются от точки к точке.

            Поле является материальным фактором, который приводит к взаимодействию тел.

            В макромире поле противоположно веществу (не имеет массы, непрерывно и т.п.).

            В микромире нет раздельно поля и вещества, там присутствует корпускулярно-волновой дуализм.

            Физический вакуум – самое низшее энергетическое состояние квантового поля. Среднее число частиц в вакууме равно нулю. Там существуют виртуальные частицы со временем жизни t£10^-18 с. Вакуум «кипит» этими частицами, но они обладают низкой энергией.

            Дополнение от автора конспекта:

            Одной из особенностей вакуума является наличие в нем полей с энергией, равной нулю и без реальных частиц. Это электромагнитное поле без фотонов, это пионное поле без пи-мезонов, электронно-позитронное поле без электронов и позитронов.

            Но раз есть поле, то оно должно колебаться. Такие колебания в вакууме часто называют нулевыми потому, что там нет частиц. Удивительная вещь: колебания поля невозможны без движения частиц, но в данном случае колебания есть, а частиц нет! Как это можно объяснить? Физики считают, что при колебаниях рождаются и исчезают кванты. Колеблется электромагнитное поле – рождаются и пропадают фотоны, колеблется пионное поле – появляются и исчезают пи-мезоны и т.п. Физика сумела найти компромисс между присутствием и отсутствием частиц в вакууме. Компромисс такой: частицы рождаются при нулевых колебаниях, живут очень недолго и исчезают. Однако, получается, что частицы, рождаясь из «ничего» и приобретая при этом массу и энергию, нарушают тем самым неумолимый закон сохранения массы и энергии. Тут вся суть в том «сроке жизни», который отпущен частицам: он настолько краток, что «нарушене» законов можно лишь вычислить теоретически, но экспериментально это наблюдать нельзя. Родилась частица из «ничего» и тут же умерла. Например, время «жизни» мгновенного электрона, примерно, 10^-21 секунды, а мгновенного нейтрона 10^-24 секунды. Обычный же свободный нейтрон живет минуты, а в составе атомного ядра даже неопределенно долго, как и электрон, если его не трогать.

            Поэтому частицы, живущие так мало, что этого в каждом конкретном случае и заметить нельзя, назвали, в отличие от обычных, реальных, - виртуальными. В точном переводе с латыни – возможными. Но считать, что данные частицы только возможны – неверно. Эти «возможные» частицы в вакууме вполне реально воздействуют, как это наблюдается в точных экспериментах, на вполне реальные образования из безусловно реальных частиц и даже на микроскопические тела. И если отдельную виртуальную частицу физика обнаружить не может, то суммарное их воздействие на обычные частицы фиксируется отлично.

            Наблюдать воздействие вакуумных виртуальных частиц оказалось возможно не только в опытах, где изучаются взаимодействия элементарных частиц, но и в эксперименте с макротелами. Две пластины, помещенные в вакуум и приближенные друг к другу, под ударами виртуальных частиц начинают притягиваться. Этот факт открыт в 1965 году голландским теоретиком и экспериментатором Гендриком Казимиром.

            По сути, абсолютно все реакции, все взаимодействия между реальными элементарными частицами происходят при непременном участии вакуумного виртуального фона, на который элементарные частицы, в свою очередь, тоже влияют.

            Оказалось также, что виртуальные частицы возникают не только в вакууме. Их порождают и обычные частицы. Электроны, например, постоянно испускают и тут же поглощают виртуальные фотоны.

            Физический вакуум проявляется только при достаточно большой энергии - виртуальные частицы начинают взаимодействовать с реальными частицами.

            e^-+ b ^-« 2g + Q

Современный тезис: Физический вакуум является основой Вселенной (1990-е гг.)

Концепции времени и пространства.

Время и пространство – это формы существования и движения материи.

Самые первые представления относятся к древним векам, это субъективные понятия.

Время выражает порядок смены физических состоянии материальных тел, поэтому время универсально и объективно вне зависимости от человека.

Субъективно то, что можно измерить с помощью часов. В качестве отсчета может быть принят любой циклический процесс, например, вращение Земли.

Постулат времени: одинаковые во всех отношениях явления происходят за одинаковое время. Эталон точности на данный момент составляет 10^-11 с.

            В классической механике Ньютон создал понятие истинного (абсолютного) времени, или математическое время - это время, которое течёт равномерно и не зависит от каких-либо физических процессов.

            По Эйнштейну, время относительно, абсолютного времени

По теории относительности:

Существует релятивистское замедление времени при скоростях, близких к скорости света.

Гравитационное замедление времени (внутри чёрной дыры время останавливается).

            По Ньютону время является обратимым, по современным представлениям время необратимо, относительно и одномерно.



            В пространстве физические тела занимают объем и движутся друг относительно друга.

            Пространство выражает порядок сосуществования физических тел.

            Пространство_(быт.) – это некая протяженная пустота, в которой могут находиться материальные тела.

            Первая концепция пространства – III век до н.э. – Евклид создал свою геометрию. Его концепция не связана на с временем, ни с физическими явлениями – она чисто математическая. Была дополнена в XVIII веке Декартом, который ввел трехмерную систему координат (стереометрия) и определил пространство как однородное и изотропное.

            Однородность – это свойство материальной системы, которое не зависит от ее перемещения в пространстве.

            Изотропность – это свойство материальной системы, которые одинаково при её движении во всех направлениях. Ньютон ввел в классическую механику понятие абсолютного пространства, то есть, существующего независимо оттого, находятся там материальные тела или нет. Реального абсолютного пространства нет! В современной физике пространство так же относительно, как и время.

            Вторая концепция пространства появилась в начале XIX века. Я. Бальяй, К. Гаусс (сер. XIX), Н. И. Лобачевский (сер. XIX) независимо друг от друга пришли к разработке неевклидовой геометрии. В отличие от Евклидовой, не соблюдается постулат о параллельных прямых (Сколько угодно прямых, параллельных данной). Евклидовой геометрии было отведено место частного случая (Прим. авт. консп.).

            В 60-е гг. XIX века Риман создал сферическую геометрию. Геометрии Лобачевского было отведено место частного случая (Прим. авт. консп.).

            Евклидова геометрия применима для макромира, неевклидова для мегамира, для искривленного пространства – римановская.

            В классической пространство, время и материя не связаны друг с другом.

            В релятивистской механике пространство и время объединены в пространственно-временной континуум. Эйнштейн ввел временную координату. Эйнштейн отчасти заимствовал наработки Минковского в области создания четырехмерного мира. Но Минковский не смог объяснить происхождение искривленного пространства. Четырехмерный мир неощутим для людей. Еще Галилей сказал, что для измерения движения нужно взять систему отсчёта времени. Система отсчета – это совокупность декартовых координат и часов. Это говорит о том, что движение тела всегда относительно движения других тел и связано со временем.

            Специальная теория относительности (1905) показала, что не абсолютного пространства и абсолютного времени, все они относительны какой-либо системы отсчета.

            Общая теория относительности (1915) показала, что евклидова геометрия непригодна для описания тел с большими массами и размерами.

04 лекция

Специальная теория относительности (СТО)

            В классической механике при переходе от одной системы к другой время течёт одинаково для обеих систем, и события происходят одновременно. Для макромира это правильно, для мегамира нельзя пренебрегать задержкой времени. Между Москвой и Санкт-Петербургом световой сигнал идет 0,002 секунды. Скорость света (константа) является ограничительным фактором (например, свет от квазара, расположенного на расстоянии 12 миллиардов световых лет). Эйнштейн все свои вычисления основывает на постоянстве скорости света в вакууме с≈3∙10⁸ м/с. Поэтому время в СТО относительно како-то системы отсчета.

            Эйнштейн сформулировал и сам же потом опроверг парадокс близнецов.

            t₂– t₂ = Dt =

Dt – промежуток времени, в течение которого близнец на Земле принимает световой сигнал с космического корабля.

– промежуток времени, в течение которого близнец, находящийся в космосе, посылает световой сигнал с корабля.

            Относительность длины



            Взаимосвязь массы и скорости

m

m₀

c

v

Масса покоя



            Ни одно материальное тело, имеющее массу покоя, не может двигаться быстрее скорости света. Теория относительности допускает существование частиц, двигающихся со скоростью света.



            Связь энергии и массы.

            E=mc²

            E₀=m₀c²

            DE=Dmc²

            Явление аннигиляции:       e^-+ b ^-« 2g + Q

            1901 г. – обнаружение увеличения массы электрона, движущегося ускоренно.

ОТО впервые была опубликована в 1915 году.

            Постулаты общей теории относительности (ОТО).

Все тела отсчета, инерциальные и неинерциальные, равноценны для описания движения материальных объектов. Инерциальная система – движущаяся равномерно и прямолинейно, неинерциальная – движущаяся с ускорением.

Эйнштейн разработал полевую теорию тяготения, предположив существование гравитационного поля.

            Классическая механика опиралась на принцип дальнодействия – взаимодействие между предметами происходит мгновенно. Это возможно, так как в классической механике скорость света была бесконечной величиной.

            Эйнштейн сказал, что два тела взаимодействуют друг с другом по принципу близкодействия (через частицы). Частицы, предположительно несущие гравитационное взаимодействие называют гравитонами.

            В сильном поле тяготения происходит искривление пространственно-временного континуума. Чем больше масса, тем сильнее искривление пространства.

            Гравитационный радиус – радиус, который нужен, чтобы стать черной дырой.

            Для каждой массы существует свой определенный радиус, при сжатии до которого сила тяготения стремилась к бесконечности. Такой радиус в теории был назван гравитационным радиусом. Гравитационный радиус тем больше, чем больше масса тела. Но даже для астрономических масс он очень мал: для массы Земли это всего один сантиметр. (Прим. авт. консп.)

05 лекция

Дискретность материи.

            Аристотель в III веке до н.э. говорил, что вещество можно делить на все более мелкие части сколько угодно (Гипотеза непрерывности вещества).



Левкипп (V век до н.э.)

Демокрит

Эпикур

Говорили, что все вещества состоят из мельчайших частичек – атомов (греч.) – «неделимый». Термин «атом» введен Демокритом.

(Гипотеза прерывности вещества)

            Понятие о молекуле, как о мельчайшей частице вещества ввел Ломоносов, назвав их корпускулами.

            В конце XIX века Жан Батист Перрен доказал существование молекул при помощи броуновского движения.

            Молекула – наименьшая частица вещества, сохраняющая его химические свойства и состоящая из атомов, соединенных между собой химическими связями.

Радиоактивность.

            1896 год - Беккерель открыл радиоактивность. Изучая действие различных люминесцирующих веществ на фотопластинку, в частности, солей урана, открыл неизвестное излучение, присущее самой урановой соли и не имеющее ничего общего с люминесцирующим излучением. Это явление самопроизвольного излучения солями урана лучей особой природы было названо радиоактивностью. (Прим. авт. консп.)

            1898 год - Томсон открыл электрон.

            1911-1913 - Резерфорд открыл протон.

            1932 - Чедвик открыл нейтрон.

            Сер. 1960-х гг. коллектив учёных открыл сложную структуру нейтронов и протонов. Частицы, их образующие, были названы кварками.

            На данный момент предела делимости материи нет.

            Считается, что все виды материи имеют дискретную (зернистую) структуру, в том числе поле и физический вакуум.

            Дискретность полей доказана экспериментально. (Например, электромагнитное поле распространяется фотонами).

            Даже пространство и время по квантовой теории имеют дискретную структуру (пространственно-временная хаотически движущаяся «пена», состоящая из ячеек размером 10^-35 м и 10^-43 с).

SHAPE * MERGEFORMAT

Компоненты Вселенной

Биосфера

Экосистема

Неживые тела

Молекулы

Атомы

Протоны, нейтроны, мю-мезоны

Кварки

Элементарные частицы

Клетки

Ткани

Органы

Организмы

Виды, популяции

            Тем не менее, материя смотрится сплошной и непрерывной. Если мы описываем расположение в пространстве системы, её агрегатное состояние, то мы учитываем свойства материи, её непрерывность. Если же мы описываем химические связи вещества, если рассматриваем природу тепловых, электрических явлений, то мы рассматриваем дискретную структуру, учитываем прерывность материи.

            Непрерывность материи и её дискретные свойства неразделимы.

            Существует закон сохранения, связанный со свойствами пространства и времени. Декарт сказал, то пространство изотропно и однородно. Однородность пространства объясняется параллельным переносом тел.

            Принцип инвариантности (неизменности). Связан со сдвигом в пространстве и времени – неизменность преобразования материального объекта в пространстве.

            Движение материальных тел в пространстве связано с законами симметрии.

            Симметрия всегда проявляется при изменении расположения тел в пространстве.

            Г. Вейль в начале XX века: Симметричным называется предмет, который можно изменить в пространстве так, чтобы получить то, с чего начинали.

            Симметрия проявляется в кристаллах, раковинах моллюсков, листьях растений.

            Плоскость симметрии:

Зеркальная (хиральная) симметрия (рука, лапа, изомеры, глюкоза, молочная кислота). Самое древнее изображение симметрии – орнамент, например, мозаичные структуры встреч у крокодила, черепахи.

            Симметрия – эстетический принцип, когда дублируется рисунок. Очень большое значение она имеет для архитектуры.

            На востоке симметрия особо почиталась. Западное искусство всегда отступало от симметрии.

            Симметрия создает в системе устойчивость. Симметричная система всегда сопротивляется введению динамичных элементов, следовательно, она является тормозом для эволюции. Ход эволюции материальных систем – это единство и борьба противоположностей (симметричности и асимметричности).

            У живых организмов сохраняются наследственные признаки симметрии. Из однородности пространства следует закон сохранения импульса.



            Импульс замкнутой материальной системы сохраняется, то есть, не изменяется с течением времени при параллельном переносе системы в пространстве. Если система открытая, то импульс сохраняется и для них, если геометрическая сумма всех сил, действующих на систему, равна нулю. Закону сохранения импульса подчиняется движение планет, галактик в мегамире; соблюдается для всех объектов макро- и мегамира. Это фундаментальный закон природы.

            Другое свойство пространства – это Изотропность. Из него следует тоже фундаментальный закон – закон сохранения момента импульса.

            L=mvr

            Момент импульса замкнутой системы сохраняется, то есть, не изменяется с течением времени. Для открытых – аналогично, если сумма всех сил, воздействующих на систему, равна нулю. Закону сохранения момента импульса подчиняются:

·

·

·

            В пространстве существует однородность времени – это инвариантность физической величины материальной системы отсчета относительно выбора начала отсчета. Из однородности времени следует закон сохранения механической энергии.

            В системе, в которой между телами действуют только консервативные силы, полная механическая энергия сохраняется, то есть, не зависит от времени. Если совершенная в системе работа не зависит от пути перехода тела из одного состояния в другое, то в системе действуют консервативные силы.

SHAPE * MERGEFORMAT

А

B

D



            Реальных систем таких не существует. В такой системе происходит только взаимопревращение потенциальной и кинетической энергии, других превращений нет. При этом полная механическая энергия сохраняется.

            Если система открытая, то в ней действуют диссипативные силы и полная механическая энергия не сохраняется, часть энергии переходит в излучение, тепло и т.п.

            Вне зависимости оттого, действуют ли в системе диссипативные или консервативные силы, в любом случае энергия сохраняется, только переходит из одной формы в другую. Закон сохранения энергии (ЗСЭ) является фундаментальным законом природы.

            Э. Нуттер в 20-е гг. XX века установил связь между законами сохранения и свойствами природы и времени. В то же время А.А. Фридман разработал на основании симметрии пространства и времени теорию возникновения Вселенной.

            Законы сохранения связаны с математической теорией групп, применяемой в квантовой механике, которая и постулировала дискретность времени и пространства.

Волновая концепция в естествознании.

            Волны звука, на воде, механические колебания, колебания струны, колебания в земной коре, электромагнитные волны.

            Основные свойства волн:

Все волны обладают конечной скоростью. Скорость распространения волн зависит от среды.

Скорость света в вакууме – 300000 км/с

Звук при 0°С, Р=1 атм – 330 м/с

Все виды волн обладают импульсом.

Движение волн подчиняется принципу суперпозиции.

Все волны переносят энергию.

            Любая колеблющаяся система, независимо от её физической природы, называется осциллятор.

·

·

·

·

            Продольные – сжатие и растяжение пружины, забивание гвоздя, распространение звука, кроме распространения в твердых телах. Человеческое ухо воспринимает звуковые колебания от 16 до 20000 Гц.

            Поперечные волны – частицы среды колеблются перпендикулярно направлению распространения волны. Например, колебание струны, в твердых телах даже звук распространяется поперечно (все волны в твердых телах поперечны), электромагнитные волны.

            В природе встречаются плоские и трехмерные волны. Звуковые волны являются трехмерными, электромагнитные – плоскими.

06 лекция

            Когда плоская волна попадает на препятствие, она преломляется – это явление дифракции.

Ф Гримальди (1665) впервые описал дифракцию.

Т. Гук и Х. Гюйгенс, XVII век – придерживались теории эфира.

Одна из работ Гюйгенса – «Трактат о свете».

            Принцип Гюйгенса: Каждая точка среды, до которой доходит волна, является в свою очередь центром одной из элементарных вторичных волн, огибающая которых становится волновой поверхностью в следующий момент времени.

            Гюйгенс доказал, что дифракция проявляется, если длина (диаметр) препятствия меньше или равен длине волны.

            Идеи Гюйгенса были доработаны Френелем, он же дошёл до открытия интерференции. Интерференция – сложение двух или более волн одинакового периода, которые сходятся в одной точке. При наложении амплитуд может давать интерференционные максимумы и минимумы. Главным условием интерференции является когерентность волн (фиксированная разность фаз и одинаковая частота). Для наблюдения интерференции света требуется наличие двух волн от одного источника, но с геометрической разностью хода.

            Явление интерференции наблюдается как для продольных, так и для поперечных волн любого типа.

            Один из способов наблюдения – дифракционная решетка – решетка с 2000 штрихов на 1 мм. Даёт очень высокую разрешающую способность и используется для спектрографов. В сейсмологии при помощи дифракционной решетки улавливают смещение до 10^-6 м. Интерференция применяется в просветленной оптике для уменьшения бликов и потерь энергии. В современных перископах сейчас проходит до 85-90% световых волн, раньше это число не превышало 30%.

            Голография – голос (олос) (греч.) – полно, целиком.

            Создана Габором в 1947-м году.

            Дополнение от автора конспекта:

            Голография - особый фотографический метод, при котором с помощью лазера регистрируются, а затем восстанавливаются изображения трехмерных объектов, в высшей степени похожие на реальные. Такая фотографическая запись называется голограммой. При освещении лазером голограмма формирует изображение, которое представляет собой точную копию исходного трехмерного объекта и обнаруживает все свойства таких объектов, например изменение перспективы при перемещении наблюдателя. Метод голографии, применяемый в основном для регистрации информации, которую несет свет, отражающийся от некоего объекта или проходящий сквозь него, пригоден отнюдь не только для видимого света. Теоретически этот метод приложим ко всем другим волновым явлениям – звуковым волнам, сверхвысокочастотному, инфракрасному, рентгеновскому и электронному излучению. Этим и объясняется тот интерес, который вызывает голография; однако из-за практических трудностей ее пока не удалось применить к электронам и в рентгеновской области спектра.

            Суть метода голографии. Пучок света, создаваемый лазером, отличается от света, испускаемого обычными источниками, например электролампой, в двух отношениях. Во-первых, он монохроматичен, т.е. характеризуется только одной длиной волны. Во-вторых, он когерентен, т.е. гребни и впадины каждой его волны согласуются с гребнями и впадинами каждой другой волны. Если рассматривать пучок света как последовательность волновых фронтов, лазерный луч представляет собой такой луч, в котором все точки волнового фронта согласованы по фазе.

            При взаимном наложении двух когерентных волновых фронтов (в месте пересечения двух когерентных пучков) происходит интерференция. На интерференции и основана голография.

            Обычно голограмма не обнаруживает никакого сходства с зарегистрированным объектом; это просто какой-то набор темных и светлых пятен, в которых не угадывается никакого смысла. Но, будучи интерференционной картиной, голограмма содержит информацию особого свойства: это запись не только амплитудных, но и фазовых характеристик волнового фронта, отразившегося от объекта. Если теперь объект удалить, а на голограмму направить опорный пучок (т.е. такой же пучок света, как и тот, которым она была записана), то она сформирует волновой фронт, несущий всю ту информацию, которую нес первоначальный волновой фронт. Таким образом, голограмма воссоздает волновые фронты, исходившие от объекта, хотя самого объекта в этом месте уже нет.

            Применение голографии. Основные особенности голографии, отличающие ее от фотографии, таковы:

это запись интерференционной картины, содержащая не только амплитудную, но и фазовую информацию, тогда как обычная фотография – это запись только интенсивностей света, не содержащая фазовой информации;

при регистрации голограммы нет необходимости в фокусировке, голограмма чаще всего не имеет сходства с объектом;

голограмма способна восстанавливать точную копию волнового фронта, идущего от объекта (если объект трехмерный, она восстанавливает трехмерное изображение);

изменяя угол между опорным пучком и волновым фронтом, идущим от объекта, можно на одном участке фотографической пластинки записать более одной голограммы;

в большинстве случаев для восстановления изображения достаточно любой малой части голограммы; если голограмма повреждена или частично уничтожена, она все равно восстановит изображение.



Электромагнитная концепция.

            Уравнения Максвелла.

            В 1873 году Джеймс Максвелл опубликовал первый трактат, в котором впервые систематизировал все фундаментальные уравнения по электричеству и магнетизму. Но он был чистым теоретиком, и никогда не участвовал в экспериментах. В своей работе он обобщил закон Кулона по электростатике, теорему Гаусса (Постоянное магнитное поле не возбуждает электрическое поле, так как магнитных зарядов не существует), закон электромагнитной индукции Фарадея (Переменное магнитное поле порождает электрическое поле), уравнение Лапласа (Проводник с током создает вокруг себя магнитное поле).

            Выводы из теории Максвелла:

1.

2.

3.

            Переменные электрические и магнитные поля – это проявление единого электромагнитного поля, которое нужно рассматривать как вид материи. Электромагнитное поле обладает импульсом, энергией, а значит, должно обладать и массой, вывод о чем был сделан Максвелл, а доказано это было гораздо позже. Электромагнитное поле способно существовать в отсутствии электрических зарядов, и изменение его состояния носит волновой характер. То есть, электромагнитное поле – это электромагнитная волна, и для нее Максвелл вывел константу – скорость света в вакууме, скорость распространения электромагнитной волны в вакууме. Был сделан вывод, что свет – это электромагнитная волна.

Позже, в 1887 году Герц доказал это экспериментально.

            Исходя из уравнения Максвелла, электромагнитные волны могут распространяться в любой среде (в отличие от классической механики) – жидкой, твердой, кристаллической, газообразной, вакууме.



с – скорость света

v – скорость распространения в среде

e - диэлектрическая проницаемость среды, показывающая, во сколько раз напряженность электрического поля в вакууме больше напряженности в данной среде.

m - магнитная проницаемость среды, показывает, во сколько раз магнитная индукция в среде больше или меньше магнитной индукции в вакууме.

- показатель преломления среды.

- уравнение, связывающее электричество, магнетизм и оптику.

Свет – это электромагнитная плоская поперечная волна. Свет проявляет следующие волновые свойства: дифракция, интерференция, дисперсия (зависимость показателя преломления от частоты света), поляризация.

            Поляризация – свойство волны распределяться в изотропной среде. Если на пути поставить кристалл (например, турмалин), то идет поляризация («вырезается» часть волны, идущая в одной плоскости).

            Поляризаторами являются, например, аминокислоты (левовращающие оптические изомеры), глюкозы (правовращающие).        Все природные вещества оптически активны!

Усвояемость витаминов (искусственных) составляет 10-15%, и они не являются оптически активными.



            Корпускулярные свойства света – свет имеет массу. Максвелл предположил, что свет имеет массу, так как есть импульс. Экспериментально это доказал в 1902 году русский учёных Лебедев, подтвердивший и обосновавший явление давления света. Он же обосновал космическое давление света (изменение направления хвостов комет под действием солнечного ветра).

            Герц в 1887 году доказал, что свет имеет давление – явление фотоэффекта (вырывание электронов из атомов под действием света).

Макс Планк: E=hn - Энергия кванта связана с частотой (цветом).

            h=6,62∙10^-34 Дж∙с



Эйнштейн назвал квант света фотоном.

            E=mc²

            E= hn

            mc²= hn ® - Масса фотона, движущегося со скоростью света.

            p=mc – импульс фотона.

            Фотон – это и частица и волна, он обладает корпускулярно-волновым дуализмом, или корпускулярно-волновой двойственностью. Фотон проявляет одновременно два основных свойства материи . Позже было доказано, что это свойство присуще всем микрочастицам (на данный момент открыто более 350).

В 1923 году Луи де Бройль высказал предположение, что электрон обладает корпускулярно-волновым дуализмом.

Для фотона:

Для электрона:

Томсон определил массу электрона: m_e=9,11∙10^-31 кг.

Дэвис и Джермер в 1927 году доказали, что электрон обладает волновыми свойствами – свойствами интерференции и дифракции.

В 1932 году Чедвик выяснил, что протон имеет те же свойства.

07 лекция

Модели атома.

Все модели исходили из того, что атом электронейтрален.

Томсон в 1897 году создал первую модель атома.

            Ø≈10^-10 м

Х. Нагаока в 1903 году представил себе расположение электронов в атоме подобно кольцам Сатурна.

Резерфорд в 1911 сформулировал планетарную модель атома. Так в центре находится маленькое, но тяжелое ядро, а легкие электроны расположены на достаточно большом расстоянии от него.

А.    При вращении электрон излучает энергию и должен упасть на ядро. Вывод: атом является неустойчивым, а на самом деле в настоящее время атом является самой устойчивой из известных систем. В этом и есть первое и главное противоречие, если рассматривать атом с точки зрения классической механики.

Б.      Должна непрерывно меняться частота, так как вращение равномерно, но у него непрерывный спектр излучения. Такой спектр SHAPE * MERGEFORMAT дает вещество в твердом и жидком состоянии, на самом деле атом дает спектр SHAPE * MERGEFORMAT

Нильс Бор в 1913 году.

Постулаты:

             I.      Электроны в атоме могут двигаться только по определенным стационарным орбитам, и при этом энергия не излучается (Боровская орбита).



            m_e – масса электрона

            v_e – скорость электрона

            r_n – радиус орбиты



Момент импульса электрона на боровской орбите равен примерно целому числу, причем, n≠0.

          II.

hn=E₂-E₁

E₁ – стационарное энергетическое состояние электрона

E₂ – энергия электрона в возбужденном состоянии.

Наименьшее энергетическое состояние электрона в атоме – на ближайшей к ядру орбите n=1. Данная формула объяснила линейчатые спектры атома.

Спектры электромагнитного излучения атома.

Радио

Радар

Инфракрасное

Видимый свет

Ультрафиолет

Рентген

γ-излучения

λ, m

1

10^-2

10^-4

10^-7

10^-9

10^-10

10^-12

            Радиоволны и радарное излучение в том случае, когда происходит изменение спина атома или ядра. Инфракрасное – за счет колебаний атомов в молекуле. Видимое, ультрафиолетовое – за счет квантовых переходов внешних электронов атома из возбужденного состояния в основное. Рентгеновское – за счет перехода электронов с внешних оболочек на внутренние. Гамма-излучение – связано с ядерными процессами и никак не связана с электронами.

            Теория Бора является промежуточным звеном между классической и квантовой механикой.

            Первый постулат был объяснен на основе уравнений де Бройля.

2πr_n – длина окружности боровской орбиты.

Вывод: боровские (стационарные) орбиты – это такие орбиты, на которых укладывается целое число волн де Бройля.

Критерии применимости законов микро-, макро- и мегамира.

1.      v<<c.

2.      v®c. Релятивистская механика.

3.

Гейзенберг в 1926 году выдвинул принцип неопределенности.

            Для частиц, обладающих корпускулярно-волновым дуализмом нельзя одновременно определить точно и координату и импульс. Чем точнее определяется координата, тем менее точно можно определить импульс.

Δx – это неопределенность, или неточность, нахождения координаты импульса.

Δp_x – неопределенность, или неточность нахождения самого импульса.

Если это произведение сравнимо с постоянной Планка, то поведение частицы описывается квантовой механикой. Если это произведение велико, то есть, много больше постоянной Планка, то поведение частицы описывается классической механикой.

            Ни для какого движения в природе это произведение не будет меньше постоянной Планка.

            Одновременное изменение энергии и среднее время жизни возбужденной частицы также нельзя измерить одновременно.

ΔE – средняя ширина энергетического уровня.

В 1926-м году Э. Шредингер вывел фундаментальное уравнение квантовой механики. Вывел волновое уравнение, в которое входит функция Ψ(x, y, z), зависящую от всех трех координат движения электрона и являющуюся аналогом амплитуды. Волновое уравнение Шредингера выведено из уравнения поперечной волны классической физики. Функция, как и амплитуда, может быть положительной и отрицательной.

            Ψ² представляет наибольший интерес. Квадрат волновой функции имеет определенный физический смысл. Квадрат функции характеризует вероятность нахождения электрона в данной точке атомного пространства с координатами x, y, z. Из уравнения Шредингера следует, что нельзя говорить о какой-то определенной боровской орбите, по которой движется электрон. Более правильно говорить об электронном облаке, а именно, о его наибольшей плотности в каком-то месте атома. И там, где плотность наибольшая, там и есть наибольшая вероятность нахождения данного электрона (ок. 90%). Пространство вокруг ядра, в котором наиболее вероятно находится электрон, называется орбиталью. Эти орбитали и есть решения уравнения Шредингера. Эти решения характеризуются тремя константами, которые Шредингер называл квантовыми числами n, l, m.

            n – главное квантовое число, которое определяет размер атома (n от 1 до бесконечности) и показывает энергетический уровень электрона в атоме. Чем больше n, тем более высокой энергией обладает электрон. Если n>>1, то энергетический уровень образует не дискретный спектр, а сплошной, то есть, это уже объект макромира.

Принцип соответствия Бора: Законы квантовой механики при больших значениях квантовых чисел переходят в законы классической механики.

            Вывод из этого принципа: всякая новая теория является развитием предыдущих теорий и полностью её не отвергает, а лишь указывает границы её применимости.

            l – орбитальное (побочное или азимутальное) квантовое число. Характеризует (показывает) форму электронного облака и изменяется от 0 до (n-1), то есть, зависит от главного квантового числа. l определяет значение момента количества движения электрона по орбите.



            l характеризует число подуровней на заданном энергетическом уровне.

            Каждому значению l соответствует орбиталь особой формы.

            Орбитали с l = 0 называются s-орбиталями,

            l =1 - р-орбиталями (3 типа, отличающихся магнитным квантовым числом m),

            l = 2 - d-орбиталями (5 типов),

            l = 3 - f-орбиталями (7 типов).

            m – магнитное квантовое число. Показывает ориентацию электронного облака в атоме при взаимодействии магнитного поля электрона с внешним магнитным полем и магнитными полями соседних электронов. m определяет число орбиталей на данном подуровне l (от –l до +l).

n=1

l=0(s)

m=1

n=2

l=0(s), 1(p)

m=1,3

m=-1,0,1

n=3

l=0(s),1(p),2(d)

m=1,3,5

            Три квантовых числа n, l и m определяют волновые свойства электрона (следует из решения уравнения Шредингера).

            s – квантовое число, называемое спин.



            Частица с целым спином.

Принцип Паули: В атоме не может быть электронов, у которых все квантовые числа равны. Это связано с тождественностью частиц. В атоме не может быть двух электронов в одинаковых энергетических состояниях.

Принцип дополнительности Бора (сформулирован в 1927-м году): Получение экспериментальной информации об одних физических величинах, описывающих частицу, неизбежно связано с потерей информации о других величинах, дополнительных к первой.

            E_кин ® Е_пот

            v®(x,y,z)

            С точки зрения физика-экспериментатора это связано с влиянием макроприбора на микроскопический объект. С точки зрения квантовой механики определить одновременно основные свойства частицы и дополнительные к ним невозможно точно ни на каком приборе, так как частицы обладают корпускулярно-волновым дуализмом.

Принцип неопределенности Гейзенберга: увеличение точности определения положения частицы вызывает увеличение ошибки определения ее момента (энергии), если эти определения проводятся одновременно.

Принцип причинности (Связан с Лапласовским детерминизмом): Если мы знаем исходное условие (причину), то всегда можем определить следствие.

            Квантовая механика основывается на теории вероятностей.

Ψ₀®|Ψ|² – Квадрат функции показывает наибольшую вероятность местоположения данной частицы.

Современная концепция атомного ядра.

В 1932 году была предложена протонно-нейтронная модель Иваненко-Гейзенберга.



Ядра с одинаковым зарядом и разной массой называются изотопами.



            75%     25% природного хлора.



Ядра с одинаковыми массовыми числами, но разными зарядами называются изобарами.



ΔE=Δmc²

            В ядро атома и его пространство входит около 350 частиц, которые известны на данный момент.

Ø_я≈10^-15 м.

            Все они – маленькие вращающиеся «волчки» и все имеют момент количества движения.

Элементарные частицы.

SHAPE * MERGEFORMAT

Фермионы

(Ферми)

Лептоны

Заряженные

e^-, β⁺, ν_e

Нейтральные

ν

Адроны

(S=1)

Бозоны

(Бозе)

S=0,1,…

Глюоны, фотоны, вионы, гравитоны.

Кварк – «непонятный».

            У каждой частицы есть античастица. Отличаются они зарядом или магнитным моментом.

            В 1928-м году Поль Дирак предсказал античастицы.

            β⁺+e^-↔2γ+Q

            Если взят 1 грамм электронов и позитронов, то выход энергии будет соответствовать взрыву в 10 килотонн тротила.



            Характеристики микрочастиц: масса, заряд, спин, время жизни.

Время жизни стабильной частицы - τ≥10²⁰ лет. T_{полураспада
протона}=10³² лет.

Протон, электрон и фотон являются среднеживущими – от минут до 10^-18 секунды.

Свободный нейтрон – 10-15 минут.

Кроткоживущие – от 10^-18 10^-24 с (резонансы, или виртуальные частицы).

В настоящее время выделено 12 фундаментальных частиц и столько же античастиц, из которых состоит весь мир. Это 6 кварков и 6 лептонов( электрон, мюон, Тау-лептон, ν_e, ν_μ, ν_τ).

Модели ядра.

1.

2.

3.

1.

2.

3.

08 лекция

Фундаментальные взаимодействия.

            Естествознание объясняет огромное разнообразие природных систем взаимодействием материальных объектов, то есть, воздействием их друг на друга. Взаимодействие – это основная причина, определяющая движение в природе, поэтому взаимодействие, как и движение, носит универсальный характер. Причинами взаимодействия учёные считают существование в природе массы и различных зарядов.

            В классической механике Ньютона взаимодействие определяется силой, с которой одно тело действует на другое, и при этом, по концепции дальнодействия, считается, что все действия тел друг на друга передаются через пустое пространство на любое расстояние мгновенно, так как скорость света в классической механике принята за бесконечность.

            В теории относительности представления о мгновенном взаимодействии не соответствуют действительности. Никакое действие, никакая информация, никакие передвижения тел в пространстве не могут происходить со скоростью, превышающей скорость света (концепция близкодействия). Взаимодействия передаются посредством физических полей и с конечной скоростью.

            Квантовая теорию дополнила концепцию близкодействия тем, что она показала, что при любом взаимодействии происходит обмен особыми частицами (переносчиками взаимодействия, или квантами соответствующего поля).

            Основные характеристики взаимодействия – это энергия и импульс.

            Существует четыре основных взаимодействия:

1.

2.

3.

4.

1.



            Это взаимодействие является доминирующим в мегамире, так как звезды и галактики имеют очень большие массы. В современном понятии существует поле тяготения с гравитационными волнами, скорость распространения которых приблизительно равна скорости распространения света в вакууме. Переносчиками тяготения являются гравитоны, которые пока не открыты и не будут открыты, пока в нашем распоряжении не будет весов с точностью не менее 10^-11 г, так как все гравитационное взаимодействие связано с массами. Гравитоны малы по массе, а само гравитационное взаимодействие слабое.

2.

            Использование электромагнитных волн в жизни человека: Электромагнитные волны являются фундаментом современной техники (электродвигатели, генераторы, нагреватели, микроволновые приборы, свет, телефон, телеграф, телевидение, лазеры, компьютеры, телескопы, микроскопы, все носители информации).

3.      ^-15 м. Переносчиком взаимодействие (склеивание кварков в нуклоны) являются глюоны, которые были открыты с появлением ускорителей. Это взаимодействие связано с ядерными силами. Сильные взаимодействия являются самыми сильными среди всех фундаментальных взаимодействий. Благодаря им ядро атома чрезвычайно устойчиво.

4.      ^-18 м. Действуют они в центре атомного ядра. Благодаря этому взаимодействию возможны термоядерные реакции и образование атомных ядер в недрах звезд (звездный нуклеосинтез). Взаимопревращение нейтронов и протонов, переход между кварками в нуклонах.

Характеристики фундаментальных взаимодействий.

Вид взаимодействия

Относительная энергия взаимодействия

Радиус действия

Переносчики взаимодействия

1. Сильное

1

10^-15 м

Глюоны

2. Электромагнитное

10^-2

∞

Фотоны

3. Слабое

10^-5

10^-18 м

Вионы

4. Гравитационное

10^-39

∞

Гравитоны

            Одна из важнейших задач современной фундаментальной физики – создание единой теории всех фундаментальных взаимодействий, единой теории поля. Первая попытка создания такой теории была предпринята Теодором Колуци. Он написал письмо Эйнштейну о том, что можно в его расчетах представить не четырехмерное, а пятимерное пространство и таким образом объединить тяготение и электромагнитное взаимодействие. Сильное и слабое взаимодействие в то время еще не были известны. Но он не смог представить точных расчетов, поэтому Эйнштейн отнесся с его письму скептически. В 1970-е гг. появилась Теория Великого Объединения (ТВО), или Теория Супергравитации. В конце 60-х гг. Людвиг Бартини, советский авиаконструктор сказал, что все фундаментальные взаимодействия можно объединить при наличии шестимерного измерения. В начале 80-х гг. предложили 11 измерений, а после фундаментальные разработки включали 26 измерений. Четыре основных измерения – Эйнштейна, остальные были названы квантовыми измерениями. Попытки эти обусловлены тем, что в трех измерениях объединить все фундаментальные взаимодействия невозможно. В конце 80-х гг. российские ученые разработали теорию объединения электромагнитного и слабого взаимодействия. Электрослабое взаимодействие (электромагнитное + слабое) наблюдается в ускорителях при E=100 ГэВ и Т=10¹²К. Электрослабое взаимодействие проявляется при взаимодействии протонов в ускорителе при данных энергиях. В природе такие энергии возможны при сверхплотных состояниях вещества (чёрные дыры и взрывные расширения при взрывах ядер галактик). Теоретики предсказывают, что объединение электромагнитного, слабого и сильного взаимодействий будет наблюдаться при энергии Е=10¹⁵ эВ, а объединение электромагнитного, слабого, сильного и гравитационного при Е=10¹⁹ эВ. Таких энергий пока не было зафиксировано нигде во Вселенной.

            В момент Большого Взрыва во вселенной было одно фундаментальное взаимодействие, а четыре появилось при расширении и охлаждении вселенной. Суперсила - объединение всех четырех взаимодействий. Овладев суперсилой, мы сможем менять структуру пространства и времени. Идёт речь о перемещении в пространстве на расстояния, сравнимые с расстояниями между галактиками.

Концепция молекулярно-кинетического взаимодействия (макромир).

Макромир описывают 3 концепции:

1.

2.

3.

Основные положения молекулярно-кинетической концепции.

1.

2.

3.

            Все эти положения экспериментально доказаны. Подтверждаются явлениями диффузии, броуновского движения и т.д. Количественное подтверждение этой концепции – газовые законы для идеальных газов.

Идеальный газ.

1.

2.

            Идеального газа не существует, но можно приблизиться к идеальному газу – при низком давлении и высокой температуре молекулы движутся, практически не задевая друг друга. Вещество звезд, находящихся на главной последовательности диаграммы Герцшпрунга-Рессела, на определенной глубине находится в состоянии, очень близком к идеальному газу, несмотря на высокую плотность (не стоит забывать об отсутствии «прикрепленных» к ядрам электронов). (Прим. авт. консп.)

            Основное уравнение молекулярно-кинетической теории для идеального газа:



            k – постоянная Больцмана.

Этот закон записан для одного моля газа.

            - для n-ного количества молей. Если газ одноатомный.

            Данный атом имеет три степени свободы (3 координаты, так как вращение вокруг собственной оси не учитывается. i=3

            Если газ двухатомный, то i=5 (поступательное).

            Если газ многоатомный, но молекула линейная, то степеней свободы будет 5, если многоатомный, но нелинейный, то 6. Все степени свободны являются равноправными и вносят одинаковый вклад в среднюю кинетическую энергию.



09 лекция

Основные газовые законы для идеальных газов.

В XVII веке был сформулирован закон Бойля-Мариотта, выражающий зависимость давления(P) от объема (V) при постоянной температуре (Т). (Изотермический).

            PV=const

XVIII век, Шарль, закон для изохорного процесса, V=const.

XIX век, Гей-Люссак, изобарный процесс, P=const.

            На практике же чаще всего все три параметра меняются одновременно.

Клапейрон вывел следующий закон:

Менделеев показал, что константой в данном случае будет универсальная газовая постоянная R=8,31

Обобщение из этого для одного моля газа приводит к уравнению:

PV=RT

PV=nRT

- закон, известный как уравнение Менделеева-Клапейрона.

Физический смысл универсальной газовой постоянной: R равна работе, которую совершает один моль газа при нагревании на 1 К при постоянном давлении.

Для реального газа действует уравнение Вандер-Ваальса (XIX век).



- учитывает силы взаимодействия между молекулами реальных газов, что приводит к усилению давления – к внешнему давлению газа присоединяется внутреннее давление между молекулами.

b – учитывает собственный объём молекул.

a и b можно определить только экспериментально.

Межмолекулярное взаимодействие электрически нейтральных молекул любого агрегатного состояния.

SHAPE * MERGEFORMAT

r₀

F

F_отт

F_пр

F_min (E_min потенц)

r

Точно так же выглядит график зависимости потенциальной энергии взаимодействия от расстояния между молекулами.

            При приближении молекулы действуют две силы – притяжения и отталкивания.

r=r₀

F_прит=F_отт

r>r₀

F_прит>F_отт

r<r₀

F_прит<F_отт

            Если E_{кин движ}>>Е_{потенц
взаимод}, то это газообразное состояние вещества.

            Если E_{кин движ}<<Е_{потенц
взаимод}, то это твердое состояние вещества.

            Если E_{кин движ}≈Е_{потенц
взаимод}, то это жидкое состояние вещества.

            Существуют четыре агрегатных состояния вещества. При переходы из одного состояния в другое могут наблюдаться фазовые переходы двух видов.

·         I) рода – когда в узком интервале температур скачком изменяется давление, плотность или объем.

·         II) рода – это изменение порядка расположения атомов и молекул в кристаллических решетках. При таком переходе резко изменяется плотность. Например, превращение белого олова в серое при -14°С, и кристаллическая решетка из тетраэдров становится кубами.

            Четвертое состояние вещества – плазма. Плазма – это ионизированный квазинейтральный газ, занимающий настолько большой объем, что в нем не происходит сколько-нибудь заметного нарушения нейтральности

            Атом делится на электроны и положительные ионы. В зависимости от степени Ионизации газа различают:

1.      α составляет доли процента, температура 1000-2000°С.

2.      α состоавляет несколько процентов, температура 5000-7000°С.

3.      α=100%, температура 10000°С и выше.

            Ионосфера представляет собой слабо ионизированную плазму. От нее отражаются радиоволны. В космическом пространстве плазма – это наиболее распространенное состояние вещества (все звезды, в которых идут термоядерные реакции, а таких большинство). В лабораторных условиях плазма образуется в различных формах газовых разрядов.

Основное применение молекулярно-кинетической теории:

1.

2.

3.

4.

Основные законы классической (равновесной термодинамики).

            Законы показывают переходы теплоты в работу. Изобретение паровых машин подтолкнуло развитие термодинамики. В 1848 году Джоуль впервые рассчитал эквивалент теплоты и работы 1 кал=4,187 Дж.

            Термодинамическая система – это система, состоящая из большого числа частиц, взаимодействующих между собой. Термодинамические системы могут быть:

·

·

            Для замкнутых систем можно было применить наиболее простые расчётные уравнения, которые в некотором приближении подходили к описанию работы двигателей и тепловых машин. Параметры термодинамической системы: объем(V), работа(A), давление(P), температура(T), теплота(Q), внутренняя энергия тела(U).

Т является производной от энергии. Запас энергии всегда положителен, так как нельзя прекратить тепловое движение молекул, даже при Т=0 К остаются колебательные и вращательные движения.

Q – одна из форм энергии, определенное количество энергии, получаемое или передаваемое системой.

А определяется силой действия на систему. А=F·S, A=PΔV.

U включает в себя запас энергии атомов, молекул, электронов…

            U=U_{поступ движ молек}+U_ядер+U_e+…

            Без учёта Е_к и Е_п системы в целом!

Классическая термодинамика описывается тремя законами:

Закон сохранения и превращения энергии.

                  Q=ΔU+A, где ΔU – изменение внутренней энергии.

      Количество теплоты, сообщенное телу, идет на увеличение его внутренней энергии и совершение телом работы.

                  Q=ΔU+PΔV.

Невозможно получить работу без затрат энергии, то есть, невозможен вечный двигатель первого рода. Универсальный закон природы, справедливый для живых и неживых объектов.

      1 кг жира ® 38,9 кДж

      1 кг углеводов ® 17,5 кДж

      1 кг белков ® 17,5 кДж

Применение первого закона к изопроцессам.

Изохорный, V=const. A=0, Q= ΔU

Изобарный, P=const. Q=ΔU+PΔV

Изотермический, T=const. ΔU=0, Q=A.

Адиабатный (протекающие без теплообмена), чаще всего – это быстротекущие процессы. Q=const. A=-ΔU

10 лекция

Теплоёмкость - это количество теплоты, сообщенное телу и изменяющее при этом температуру тела на 1°С . Второй закон термодинамики рассматривает возможность и направление наблюдаемого процесса. Все самопроизвольные процессы идут в направлении выравнивания системы, и они всегда приводят к состоянию равновесия. Несамопроизвольный процесс идет только при воздействии извне.

SHAPE * MERGEFORMAT

Исх.

Сост. 1

С-мы

a

b

2 Сост. равновесия

Самопроизв

Несамопроизв.

Это реальный необратимый процесс.

Обратимый процесс – это когда при его завершении (возврате в исходное состояние) система самопроизвольно возвращается к этому состоянию без каких-либо потерь. Это гипотетический цикл. К обратимому циклу можно приблизиться, если сделать процесс бесконечно медленным. Все обратимые процессы равновесны. На основании обратимого цикла С. Карно в 1827 году разработал так называемый цикл Карно – цикл работающей тепловой машины. Рабочее тело в цикле Карно – идеальный газ, и при работе такого цикла в машине нет потерь на трение, лучеиспускание и т.п. Тепловая машина, или тепловой двигатель, - это такое устройство, которое превращает внутреннюю энергию топлива в механическую.

SHAPE * MERGEFORMAT

Нагреватель

Холодильник

рабочее тело

Q₁

Q₂

T₁

T₂

A

Рабочее тело (газ, пар) при расширении совершает работу, при этом получает от нагревателя теплоту Q₁. Далее сжимается, при сжатии рабочее тело передаёт холодильнику теплоту Q₂. (Q₁<Q₂, T₂<T₁).

SHAPE * MERGEFORMAT

V

P

1 (T₁)

2 (T₁)

4 (T₂)

3 (T₂)

1-2 – изотермическое расширение газа с температурой T₁. При этом газ получает от нагревателя Q₁.

2-3 – дальнейшее расширение идеального газа с понижением температуры (адиабатное расширение).

В первых двух процессах совершается работа А.

3-4 – изотермическое сжатие.

4-1 – адиабатное сжатие газа с повышением температуры с T₂ до Т₁.

Цикл Карно – это обратимый процесс, идущий бесконечно медленно. По циклу Карно считают максимальный КПД (Коэффициент Полезного Действия).

Q₁-Q₂=A_max

- означает, что КПД идеальной машины зависит только от температуры нагревателя и холодильника.

h_{обратим}>h_{необратимого
(самопроизв)}

Формулировки второго закона.

            Вся теплота никогда не может перейти в работу, часть ее обязательно теряется и передается холодильнику, потому что нельзя полностью исчерпать энергию теплового движения молекул. Можно работу превратить в теплоту. Нельзя создать вечный двигатель второго рода, то есть, нельзя создать такую тепловую машину, которая превращала бы всю теплоту в работу. Обязательно КПД<100%.

            Второй закон термодинамики носит статистический, то есть, вероятностный характер, так как он выписан только для системы из большого числа молекул.

            Энтропия – это количественная мера той теплоты, которая не переходит в работу.

            S₂-S₁=ΔS=



            Если процесс обратимый, то

            Энтропия (S) в реальном процессе – затраты на холодильник, лучеиспускание, трение. При обратимом изолированном цикле нет изменения энтропии, она постоянна. В необратимых процессах энтропия возрастает до тех пор, пока система не придет в равновесие, и при этом энтропия будет максимальна. Работа прекращается в состоянии равновесия, A=0. Отсюда Клаудиус вывел возможность тепловой смерти вселенной, так как идёт процесс накопления (повышения) энтропии, и все процессы остановятся, но его (возможно) ошибка была в том, что он исходил из того, что вселенная – замкнутая система.

            Энтропия определяет возможность, направление и предел самопроизвольных процессов в замкнутых системах. Энтропия – это количественная мера хаоса в системе.

Больцман:

d=khW – показывает меру беспорядка, или хаоса.

            W - Термодинамическая вероятность системы – это число микросостояний, соответствующих данному макросостоянию системы: число способов реализации данного макросостояния.

            Если W=1, то S=0 – только идеальный кристалл при Т=0.

            Энтропия идеального кристалла при Т=0 равна нулю. Если в кристалле есть хотя бы один дефект, то W=2, и S>0. S_газа>S_жидк>S_{тв.тела}

Концепции эволюции реальных систем.

            Классическая термодинамика занималась только консервативными (изолированными) системами. В таких системах при самопроизвольных процессах энтропия увеличивается до тех пор, пока не достигнет максимального значения в состоянии равновесия.

            Неравновесная термодинамика, сформированная в середине XX века учеными: Пригожин и Хакен. Аппарат классической термодинамики – линейные уравнения, дающие всего одно решение. Аппарат неравновесной термодинамики – это нелинейные уравнения, которые дают несколько альтернативных решений, потому что неравновесная термодинамика описывает реальные процессы в природе, живых организмах, социальном обществе. Открытые системы стремятся к большей организованности, так как энтропия у них не увеличивается. Чем больше информации поступает в систему, тем система более организована, и тем меньше её энтропия. (Шеннон)

            Информация – это мера организованности системы. Фотокатод ЭЛТ (Электронно-Лучевой Трубки) телевизора содержит примерно 10⁶ микрофотоэлементов – это число микросостояний. Белый шум – помехи на экране при отсутствии сигнала из телецентра – это увеличение хаотического теплового движения элементов, и энтропия максимальна, это состояние хаоса. При поступлении сигнала (информации) энтропия резко уменьшается, а информация увеличивается.

            Кибернетика (Роберт Винер) – связана с управлением открытыми системами, но только теми, у которых есть обратная связь. Положительная обратная связь – поведение системы усиливает внешние воздействия (например, лавина). Отрицательная связь – это поведение системы, при котором внешние воздействия ослабляются. Такая связь стабилизирует процессы в системе (холодильник, термостат и все современные информационные устройства). Гомеостатическая связь – когда внешнее воздействие сводится системой к нулю (Гомеостаз – поддержание постоянной температуры тела).

            Роберт Винер в 50-60-х гг. определил кибернетику как науку об управлении связей в машинах и биологических системах. Поведение открытых систем с обратной связью описывается как организованное целенаправленное поведение, которое приводит к уменьшению энтропии. К 60-м годам выяснилось, что для реальных систем мало учитывать эффективное управление системой, а нужно учитывать самоорганизацию системы, то есть, необходимо было найти связь между эффективным управлением системой и спецификой развития реальной системы.

            В основном рассматриваются биологические и социальные системы. Теорию самоорганизации разработали на основе неравновесной термодинамики Пригожин и Хакен. Самоорганизация – это коллективное взаимодействие частиц в открытой системе, которое в дальнейшем может привести к возникновению нового порядка в расположении этих частиц в системе. Самоорганизация наблюдается в открытых реальных системах с большим коллективом частиц (эволюция вселенной, деление клеток, функционирование мозга, образование речи и языков, формирование общественного мнения, естественный отбор). Система является самоорганизующейся, если:

Это большой коллектив частиц.

Система является открытой.

Она находится далеко от точки равновесия, следовательно, энтропия системы не является максимальной.

Синергетика – наука, изучающая самоорганизующиеся системы (Пригожин, Хакен). Объект изучения – открытые реальные системы. Она изучает механизм образования, развития и разрушения самоорганизующихся систем. Этот механизм связан с коллективными явлениями, которые способствуют развитию системы. В системе устанавливается новый порядок.

SHAPE * MERGEFORMAT

Новый порядок

Устойчивая система (развитие)

Саморазрушение

            Такой порядок самоорганизации наблюдается у всех открытых самоорганизующихся систем. Новый порядок связан с появлением и накоплением флуктуаций в системе. В дальнейшем они нарастают и способствуют появлению хаоса в системе. Флуктуации ведут к возрастанию энтропии. Новый порядок всегда восстанавливается через хаос. Флуктуации расшатывают систему, она становится неустойчивой, и любое незначительное воздействие толкнет ее к саморазрушению, а дальше – к выбору пути. Любая революция есть выбор пути социальной системы. Система приходит к так называемой точки бифуркации (выбора), где существует несколько альтернатив дальнейшего развития.

            Бифуркация – выбор системой дальнейшего пути развития из нескольких альтернативных решений. Такой выбор может пойти и в сторону хаоса и в сторону организации. После выбора нового порядка система приходит в устойчивое состояние, которое называется аттрактор.

            Классическая равновесная термодинамика даёт обратимость во времени, даёт единственный путь развития замкнутой системы: система приходит в равновесие. Неравновесная термодинамика даёт несколько нелинейных уравнений, которые приводят к нескольким решениям. В неравновесной термодинамике случайность и вероятность становятся объективными свойствами системы.

            Синергетика даёт новый образ развития мира: мир открытый, он развивается по нелинейным законам, поэтому в таких системах могут быть самые неожиданные, непредсказуемые повороты системы, связанные с дальнейшим выбором ее развития.

            Вселенная является самоорганизующейся системой и развивается по законам синергетики:

Она – сложная система, состоящая из большого коллектива частиц.

Все время происходит эволюция системы, то есть, в ней образуются и распадаются крупномасштабные структуры. Это говорит о том, что вселенная находится далеко от равновесия.

Концепции космологии.

Космология – это наука о свойствах и эволюции вселенной.

Вселенная – это совокупность всех форм материи и наблюдаемых явлений.

Метагалактика – это часть Вселенной, которая доступна нашим наблюдениям. Расширение границ идёт за счет усовершенствования приборов. Сужающая часть – это время прихода света от отдалённых частей.

Галактика (Туманность) – это скопление звезд и планет. Есть гигантские галактики, включающие 10¹³-10¹⁵ звезд.

Поведение и свойства объектов вселенной описывается одинаковыми и не изменяющимися во времени физическими законами:

Закон сохранения энергии (ЗСЭ).

Закон всемирного тяготения.

Закон сохранения импульса, закон сохранения момента импульса.

А. Фридман (1868-1925) разработал модели на основании теории Эйнштейна, который считал, что вселенная стационарна во времени, предположил, что вселенная может или расширяться (в Римановском пространстве), или сужаться (сжиматься), или пульсировать. Он сам склонялся к модели расширения. В 1917 году Слайфер обнаружил красное смещение спектра, установив спектрограф на телескоп. Еще в середине XIX века Доплер обосновал смещение спектра в длинноволновые области при удалении от объекта. В 1929 году Э. Хаббл заинтересовался красным смещением Слайфера и обнаружил, что все объекты удаляются.

Закон Хаббла: Красное смещение спектральных линий галактик в сторону длинных волн тем больше, чем дальше от нас находятся галактики.

            V=HR, где V – скорость галактики, H – постоянная Хаббла, R – расстояние до галактики. H=, лежит в пределах от 50 до 100, обычно около 75.

1 Пк (парсек) = 3,26 светового года=3,08·10¹⁶ м.

H=, где τ – время жизни Вселенной. τ=13 млрд. лет.

На основании этой модели Гамов в 30-40-ее гг. разработал теорию Большого Взрыва на основании теории Хаббла. Должен быть эпицентр, или момент взрыва. Это случилось 13-15 млрд. лет назад. Вселенная находилась в сверхплотном и сверхгорячем состоянии:

            ρ=10¹⁹ г/см³

            Т=10³² К.

По этой модели выделены четыре эры развития вселенной:

Адронная (τ=10^-4 с)

Лептонная (τ=0,2 с)

Фотонная (τ=1 млн. лет)

Звездная (пока не закончилась)

Эта эра образования тяжелых частиц (барионов, или адронов) из кварков. Вселенная состояла из барионов и антибарионов, происходили реакции аннигиляции. Потом стали распадаться на нейтроны и протоны (их больше). Эти протоны существуют до сих пор, положительный барионный заряд – тоже.



Лептонная – эра лёгких частиц (электронов, фотонов, позитронов).



      Реликтовое нейтрино (ν) образовали в эту эру, но обнаружить их пока не удалось. В конце лептонной эры протонов и нейтронов стало примерно одинаковое количество.

Фотонная эра, или эра излучения.

      Энергия фотонов уменьшается по сравнению с первыми двумя эрами, длина волны увеличиваются, и они переходят в рентгеновское и ультрафиолетовое излучение. В фотонную эру вещество отделяется от антивещества, и фотоны отделились от вещества в виде различных электромагнитных излучений (ЭМИ) – рентгеновского, ультрафиолетового (УФ), светового, инфракрасного… Вселенная становится прозрачной для излучения, появляется свет. В этой же эре произошел первичный нуклеосинтез. Начинают образовываться ядра:

      Реликтовое фотонное излучение, которое отделилось от вещества, было обнаружено в 1964-м году Вильсоном и ??????????. Температура этого излучения равна средней температуре космоса 2,7К, длина волны составляет порядка 1 мм. Сильное фотонное излучение, которое до сих пор находится в космосе. К концу фотонной эры гамма-фотонов стало в 1 млрд. раз больше, чем протонов и нейтронов вместе взятых. До сих пор сохраняется это соотношение. Называется безразмерной энтропией:

Звездная эра начинается после фотонной с появлением атомов H и He.

11 лекция

Водородно-гелиевая вселенная, однородная и изотропная. Атомов водорода образовалось в 3 раза больше, чем атомов гелия. Так было 500 тысяч лет. Вселенная, как самоорганизующаяся система, начала расслаиваться, образуя флуктуации плотности вещества, которое начало закручиваться под действием гравитационных сил. Ньютон утверждал, что из-за гравитации могли быть изменения, приводящие к образованию звезд, галактик и т.п. В 1992 году Зельдович расширил теорию гравитационной неустойчивости (образование «блинов», продолжение сжатия). Модель Гамова удачно описывает многие явления во вселенной, например, эксперименты Хаббла, открытие фотонного реликтового излучения. Однако же, она не в состоянии объяснить:

Скручивание галактик, «блинов». В частности, однообразное крупномасштабное закручивание.

Образование вихрей во вселенной, которые двигаются со скоростью 100-300 км/с.

Теория газодинамического образования вихрей (Ударная волна, образованная при столкновении «блинов», закручивание галактик в одну сторону).

В конце XX века была обнаружена ячеистая структура вселенной. По границам ячеек распространено вещество, а в середине – пустота (???) или так называемая скрытая масса. Предположительный объем одной ячейки -1 миллион кубических парсеков. Поэтому в настоящее время вселенную считают однородной и изотропной по распространению в ней вещества. Модель Гамова не может объяснить такую Изотропность вещества вселенной.

            Сейчас разработана новая теория – теория инфляции, или теория раздувания вселенной. Гут (80-е гг.). Основывается на последних достижениях по экспериментам с элементарными частицами. Все произошло из ничего, из физического вакуума, в котором не было вещества, но была огромная энергия. Ячейка физического вакуума, не сдерживаемая гравитацией из-за отсутствия вещества, за 10^-35 секунды раздувается до размеров метагалактики, после чего через 10^-31 секунды энергия переходит в вещество. Это и было изначальной точкой, из которой образовалась вселенная, с ρ=10⁴² г/см³ и Т=10²⁸ К.

Самое фундаментальное, что нам дала эта теория – это то, что вещество вышло из вакуума и рано или поздно исчезнет снова в этом вакууме. Исходя из этой теории, следует, что модель пульсирующей вселенной Фридмана возможна, но только при условии распада протонов. По теории инфляции в точке образования вещества соединяются все четыре фундаментальных взаимодействия (Теория Великого Объединения, Суперсила).

По современным представлениям расширяющаяся вселенная состоит из:

Светящееся вещество (галактики, звезды, планеты, межзвездный газ [пыль из атомов водорода, гелия и примесей других элементов]) – барионная форма существования материи.

Реликтовое излучение (фотоны).

Темная (скрытая) материя – вещество, пока неизвестное учёным, этой массы в несколько раз больше.

Модель Хойла (50-е гг.) – взаимопревращение вещества и антивещества, модель стационарной вселенной.

Модель Зельдовича (1992) – модель «холодной» вселенной.

Модель Альфена (90-е гг.) – считает, что роль играет не только гравитационное, но и электромагнитное излучение. Вся вселенная пронизана плазмой. Экспериментально установлено, что электромагнитные силы участвуют в образовании квазаров. Реликтовое излучение – микроволновой фон, окружающий плазму.

            Галактики – изучение на компьютерном практикуме.

Звёзды. Основные звездные характеристики.

Возраст (от сотен тысяч до 13-15 миллиардов лет).

Светимость

Температура

Масса

Химический состав

Светимость – полное количество энергии, излучаемой звездой за 1 секунду. L_c=4·10²⁶ Вт.

Абсолютная звездная светимость – это светимость звезды при отнесении ее на расстояние 10 Пк.

Видимая звездная величина – величина, характеризующая звезду с точки зрения визуального наблюдения. Чем ярче звезда, тем более отрицательна её величина.

Наше Солнце: -26,72

Альфа Центавра +0,3

Температура поверхности влияет на цвет звезды, то есть, связана со спектром. Классы звезд по температуре (цвету):

O B A F G K M

Варианты мнемонического запоминания:

Один Бритый Англичанин Финики Жевал Как Морковку

Oh, Be A Fine Girl, Kiss Me!

Самые горячие звезды – белые и голубые, самые холодные – красные.

Зависимость между абсолютной светимостью звезды и ее температурой (классом) отражает диаграмма Герцшпрунга-Рессела.

Главная звездная последовательность показывает связь температуры и светимости. Звезды рождаются из газопылевой туманности, состоящей из гелия и водорода. При закручивании туманности образуются участки, которые разделяются на фрагменты. Звезда не рождается одна. Чаще всего в одном месте туманности рождаются сразу несколько протозвезд. При отделение каждого фрагмента освобождается энергия в виде инфракрасного излучения. В 1957 году было обнаружено скопление источников инфракрасного излучения в туманности Ориона, то есть, там идет образование звёзд. Дальнейшее сжатие протозвезд под действием гравитационных сил повышает температуру звезд, и освободившаяся энергия излучается в виде красного (иногда почти коричневого – прим. авт. консп.) света, образуются красные гиганты. При дальнейшем сжатии звезд температура повышается настолько, то звезда «зажигается», то есть, начинаются реакции термоядерного синтеза.



            Звезда «садится» на главную последовательность, там находятся все живые звезды (то есть, звезды, в которых идут термоядерные реакции). Когда кончаются запасы водорода, звезда начинает стареть, и процесс старения связан с массой звезды. Если масса звезды меньше или равна 1,2 массы Солнца, то образуется гелиевое ядро, на поверхности которого в тонком слое еще горит оставшийся водород. Само ядро начинает сжиматься под действием гравитационных сил, температура повышается, и образуется плотное горячее ядро из гелия. В этих условиях из гелия не образуется более тяжелых элементов. Внешняя оболочка постепенно расширяется, и образуется так называемая планетарная туманность. Оболочка горит красным светом, звезда становится красным гигантом. Белый карлик (ядро) горит еще несколько миллионов лет, после чего превращается в чёрного карлика. Такова судьба Солнца.

            Судьба более массивных звезд, масса которых превышает 1,2 массы Солнца, значительно более «трагична». Такие звезды живут несколько сотен миллионов лет. Если масса звезды составляет примерно 2,5-3 массы Солнца, то после прекращения термоядерных реакций в ядре звезды гравитационные силы начинают очень быстро сжимать ядро звезды. В ядре крайне быстро, скачком, образуется железо, а давление повышается настолько, что электроны «вдавливаются» в ядра атомов, в результате чего образуется нейтронная железная звезда. Происходит взрыв, разлетается остаточное вещество, такой процесс называется взрывом сверхновой. В 1054 году астрономы зарегистрировали взрыв сверхновой. Остается очень слабо светящееся быстро вращающееся ядро. Оно стремительно сжимается до радиуса 8-10 км, плотность составляет ρ=10¹⁵ г/см³, период обращения – 1,3 секунды. Звезда становится пульсаром, излучающим пучки горячих электронов с четкой периодичностью. В середине XX века сигналы, идущие от пульсаров, приняли за сигналы внеземных цивилизаций, этот феномен тогда получил название GLM (Green Little Men - маленькие зеленые человечки). (Прим. авт. консп.).

Постепенно вращение замедляется, и звезда прекращает своё существование.

12 лекция

Если масса звезды меньше, чем три массы Солнца, то она находится на главной последовательности меньше всего – несколько сотен миллионов лет. Затем она превращается в красный гигант, после чего из-за гравитационных сил происходит гравитационный коллапс. Наружная оболочка с взрывом отходит от звезды – взрыв сверхновой. Ядро затем исчезает из поля зрения наблюдателей, то есть, превращается в чёрную дыру. Около больших масс по общей теории относительности (ОТО) идёт искривление пространства. Внутри черной дыры пространство-время замыкается само на себя.

R_{гравитационный}=2GM/c²

R_гр_{.Солнца}=2,8-3 км

R_{гр.Земли}=9-10 мм.

Пульсар излучает, а черная дыра не заметна сама по себе. Время на границе чёрной дыры замедляется, а внутри останавливается полностью. Вокруг чёрной дыры действует сильное гравитационное поле, и любые объекты вселенной, попадающие в это поле (галактики, звезды, планеты), разогреваются до очень сильной температуры. Прежде чем исчезнуть в чёрной дыре, поглощаемый объект выбрасывает интенсивное рентгеновское излучение. В 1970 году «Ухуру» - американский спутник, настроенный на анализ рентгеновского излучения, заметил много невидимых источников рентгеновского излучения.

Объект Лебедь XI – первая открытая чёрная дыра, на расстоянии 8000 световых лет.

Спутник «Чандра», запущенный американскими и российскими учёными. Открыто, что в центре галактики находится мощнейшая чёрная дыра.

Квазары.

            Открыты Шмидтом в 1963 на краю метагалактики. НА краю галактики – светят с яркостью +11 - +13. Расстояние 600 МПк (около 2 миллионов световых лет). Квазары – квази-звезды – «похожие на звезды». Диаметр – несколько световых дней: много для звезды, мало для галактики. Квазары дают очень мощные электромагнитное излучение во всех диапазонах. В тысячи раз больше света, чем вся наша галактика. Любая звезда светится постоянно, квазар меняет своё излучение каждую неделю. Сейчас считают, что квазары – это гигантские чёрные дыры в центре образующихся галактик (в начале жизни вселенной).

Химический состав звёзд.

            Из газопылевой туманности, сброшенной звездами после их горения, вновь образуются протозвезды, а затем звёзды нового поколения. В этих туманностях тяжелых элементов значительно больше, чем в предыдущей звезде, и в этом заключается эволюция вселенной – в накоплении тяжёлых элементов. Основная масса – водородно-гелиевая плазма.

            На 10000 атомов водорода (H)приходится:

·         (He)

·         (O)

·         (N)

·         (C)

·         (Fe)

Металличность звезды характеризуется отношением в звезде:

Это соотношение показывает возраст звезды. Чем меньше оно, тем старее звезда.

            Тонкая подстройка вселенной – это совокупность многочисленных случайностей, которые привели к развитию именно такой вселенной, какой мы её наблюдаем, и которая привела к появлению разумной жизни. Эти случайности связаны с экспериментально доказанными законами физики и прежде всего с фундаментальными постоянными (ФП), входящими в выражения этих законов:

            Скорость света, гравитационная постоянная, постоянна Планка, заряд электрона, масса электрона, масса протона, масса нейтрона, три координаты, безразмерная энтропия вселенной S~10⁹. Все фундаментальные постоянные имеют строго количественное значение (выражение). При изменении их численных значений мир был бы иным. При увеличении постоянной Планка на 15% протоны не объединялись бы с нейтронами, следовательно, не было бы первичного нуклеосинтеза. Если бы гравитационная постоянная была на 10% меньше, то все звезды были бы красными карликами, если на 10% больше, то все звезды были бы белыми и голубыми.

            Вывод 1: Физические характеристики материальных структур нашей вселенной от элементарных частиц до метагалактики определяются строгими числовыми значениями физических постоянных.

            Вывод 2: Структурные образования вселенной очень чувствительны к значениям фундаментальных постоянных, и небольшое их изменение привело бы к невозможности существования наблюдаемой вселенной.

            Эти два вывода и называют иногда тонкой подстройкой вселенной.

            В 1958-м году Идлисом (СССР) сформулирован антропный принцип. Фундаментальные постоянные имеют именно те значения, при которых становится возможным существование во вселенной живых углеродных систем.

            В 1974 Картер: Слабый антропный принцип показывает возможность появления человека во вселенной: то, что мы предполагаем наблюдать, должно удовлетворять условиям, необходимым для присутствия человека в качестве наблюдателя развития вселенной, так как если бы мир был другим, человек бы не появился. Сильный антропный принцип утверждает необходимость: вселенная должна быть такой, чтобы в ней на некоторой стадии эволюции обязательно появился бы человек как наблюдатель, то есть, при зарождении вселенной.

            Антропный принцип ничего не предсказывает, просто объясняет:

1.

2.

Методы изучения звёздного неба.

Визуально (до звездной величины +6)

Телескопы (самые современные – до +33)

А.

Б.

В.

Г.

Д.

Е.

Поиск внеземных цивилизаций.

Формула Дрейка:

Эта формула показывает число коммуникативных цивилизаций, то есть, способных вступить с нами в контакт в рассматриваемый момент времени. Время считают от момента образования первых звезд.

N₀ – число подходящих мест для возникновения коммуникативных цивилизаций (КЦ).

F_D – вероятность того, что на какой-то планете к моменту времени t возникает коммуникативная цивилизация.

L_c – средняя продолжительность жизни цивилизации.

Разброс значений F_D очень велик:

Если F_D=1, значит, существует 10⁹ коммуникативных цивилизаций.

Если F_D=10^-6, значит, существует всего одна (наша) коммуникативная цивилизация.

Типы контактов между космическими цивилизациями:

1.

2.

3.

Трудности для непосредственных контактов – длительность перелётов.

Две организации:

SETI – Search for Extraterrestrial Intelligence

CETI – Communication with Extraterrestrial Intelligence

13 лекция

Происхождение и эволюция солнечной системы и Земли.

            По современным представлениям Солнце (как звезда) образовалось значительно раньше, чем планеты, примерно 5 миллиардов лет назад из газопылевой туманности звезды первого поколения. Гипотеза Канта-Лапласа. Кант в 1755 году предположил, что система образуется из холодной туманности, причем, Солнце раньше планет. Лаплас считал, что из горячей (1500°) туманности, сначала планеты, потом Солнце.

            Хойл (1958), Альфен и Аррениус (1960-ее гг.) выработали единый механизм планетообразования во вселенной (по крайней мере, в метагалактике).

Звезда должна обладать сильным магнитным полем.

Пространство в окрестностях звезды должно быть заполнено сильно ионизированной плазмой.

            Механизм образования планетной системы включает не только гравитацию, но и электромагнитные силы и плазменные процессы. Молодое Солнце, поскольку оно образовалось из очень горячей туманности доходило почти до орбиты Меркурия и имело огромную корону: протуберанцы доходили до орбиты Плутона, и токи там был в сотни миллионов Ампер.

            Гипотеза Шмидта (1922, русс.) – Солнце, возможно, захватило часть другой туманности или что-либо еще. На это указывает дифференциация по химическому составу в трех «дисках» вокруг Солнца: более тяжёлые элементы ближе к Солнцу (планеты земной группы), далее легкие – Сатурн и Юпитер, еще дальше – совсем другие, не похожие ни на что планеты. Первыми образовались планеты земной группы, а через несколько сотен миллионов лет – Сатурн и Юпитер. Круговая скорость Солнца – 2 км/с. Суммарная масса всех планет составляет 1/700 массы Солнца.

Происхождение Земли.

            К Солнцу магнитным полем были притянуты огромные массы железа и азота. Сутки были заметно короче, но с увеличением массы вращение замедляется. В самой Земле из-за вращения шло распределение химических элементов: более тяжёлые – в мантии и ядре, более легкие – в земной коре, а самые лёгкие образовали гидросферу и атмосферу. По исследованиям грунта радиолокационными методами возраст земли составляет 4,55 миллиардов лет (4550±50 млн. лет). Земля стала разогреваться за счет вулканической деятельности, первопричиной которой является естественная радиоактивность. Процесс радиоактивного разогрева. За год Земля теряет 7,94·10²⁰ Дж энергии, но это намного меньше тепла, выделяющегося при радиоактивном распаде в недрах Земли. Первичная атмосфера Земли образовалась из-за вулканической деятельности и была восстановительной: CO₂, NH, HCN, CH₄, H₂O. Резкое качественное изменение атмосферы Земли произошло около 2 миллиардов лет назад – появился кислород, так как произошло зарождение жизни: микроорганизмы стали, фотосинтезируя, производить его. За последние 200 миллионов лет состав атмосферы практически не изменился.

Сухой воздух:

N₂≈78%

O₂≈21%

Инертные газы ≈ 0,98% (Ar≈0,9%)

CO₂≈0,032%

            По одной из теорий, Земля на определенной стадии захватила очень много льда, в частности, из хвостов комет и, возможно, Нептун, Плутон и Уран, закручиваясь, выбрасывали огромные глыбы льда. Это так называемая теория космического происхождения воды на Земле. (Прим. авт. консп.)

            Спектральный анализ химического состава Солнца, планет солнечной системы, метеоритов и астероидов, показал, что все они имеют единое происхождение.

            Все тела солнечной системы построены в основном из небольшого числа химических элементов. После 28-го элемента таблицы Менделеева распространенность резко падает. Особенно распространены элементы с чётным массовым числом.

2

4

8

12

16

24

28

32

40

56

He

Be

C

O

Mg

Si

S

Ca

Fe

            Из них наиболее устойчивы те, что имеют магические числа, когда N_p=N_n.

Строение Земли.

            Радиус ядра составляет 55% толщины. Во внутреннем ядре (твердое) преобладают железо, никель, сера. Во внешнем ядре (полужидкое) железо, никель, селен, в земной коре – SiO, магний, железо. В мантии сосредоточена основная часть массы – около 68%.

            Кора состоит из осадочных пород: глина, песчаник, сланцы, граниты, базальты, в них – руды.

            Дельсемм в 1983 году обнаружил близость соотношения атомов элементов в составе живых организмов, в межзвездном газе и газовом веществе комет (О, С, N, Н).

            Земля обладает гравитационным, магнитным и электрическим полями. Гравитация описывается законом всемирного тяготения Ньютона. Магнитное поле складывается из двух составляющих: одна главная, очень медленно меняющаяся, существующая за счет существования магнитного ядра, 99%, другая, переменная составляющая, 1%, связана с магнитным излучением Солнца. Магнитные полюса Земли смещены по отношению к географическим. Переполюсовка происходит за период от нескольких сотен тысяч до нескольких миллионов лет. Поверхность земного шара заряжена отрицательно. Земное электрическое поле всё время меняется. В среднем E=130 В/м (Напряжённость). На расстоянии 2 м от поверхности Земли существует разность потенциалов в 200 В . Все точки лежащего человека находятся под одним потенциалом. С высотой напряженность падает. Полная разность потенциалов между поверхностью Земли и ионосферой составляет 400 тысяч вольт. Атмосфера заряжена положительно. Грозовые разряды не дают электричеству Земли уйти в космос. 1 удар молнии возвращает земле 20-30 Кл отрицательного электричества. Все напряжение электричества Земли составляет примерно 40000 В.

14 лекция

Химические концепции в современном естествознании.

SHAPE * MERGEFORMAT

Эмпирический

Др. века

Сер. XVII

Уровни развития

Аналитический

Сер. XIX

Технологический

Синтетический

Структурный

Биологизация химии

Сер. XX

Наше время

            На атомном уровне нет различий между составом органических и неорганических веществ. Различия появляются между органическим и неорганическим миром на молекулярном уровне. Химия изучает молекулярный состав вещества и превращение веществ. Слово, предположительно, произошло от древнего названия Египта – Kham, или от греческого слова Khemia (сок растения).

             I.      I в н.э. завоеван Древним Римом, тогда император Диоклитиан приказал уничтожить все книги жрецов, которые занимались химией, так как он опасался появления много дешевого золота. Христианство загнало химию в подополье, так как химическое знание считалось язычеством. В VII веке до н.э. Египет был завоёван арабами, основали Османскую империю, где появились учёные, пытающиеся превратить металл в золото. Al-iksir (философский камень) – «эль-иксир». Химия превращается в алхимию. Авиценна (правители разрешили ему заниматься химией). В XII веке после распада Османской империи некоторые книги по алхимии попали в Европу и были переведены на латинский. До XVII века в Европе была алхимия (Ей занимались также Ньютон, Бойль). Парацельс занимался созданием лекарств из минералов. Бойль убрал приставку «ал», и алхимия стала химией. Он выпустил первую книгу по химии.

          II.

1.

2.

3.

            В эти два века химия оформилась как точная наука.

1.      XVII веке (Шталь), о том, что при горении руды металл из руды соединяется с флогистоном, находящимся в воздухе и образует сложное вещество. Если вещество прокалить без доступа воздуха, получается чистый металл. Эта теория объяснила процесс получения металла из руды. Теория флогистона умерла с появлением работа Лавуазье и Ломоносова в XVIII веке. Они опытным путём опровергли теорию. Лавуазье открыл кислород, но не успел закончить исследования, так как был четвертован во время Французской революции. Они по отдельности открыли закон сохранения массы – первый стехиометрический закон. Для химических реакций закон сохранения массы справедлив из-за недостаточной точности измерений.

2.      XIX века Курнаков расширил этот закон, открыв химические соединения, имеющие переменный состав. Например, Ag₂Zn, FeS – бертоллиды (Бертолле); H₂O - дальтониды (Дальтон).

3.      XIX века переворот в химии – разработал химическую символику.

       III.



               Было замечено, что в органические вещества входит углерод. Эмпирическая формула не отражает структурного строения C₂H₆O. Берцелиус в 1830 году назвал их изомерами.

H

H

H

C

C

OH

H

H

               Франкланд в 1852 году выдвинул теорию валентности – способности атомов присоединять другие атомы. В 1862 году Бутлеров выдвинул теорию строения органических молекул.

1.

2.

3.

А.

Б.

В.

Г.

15 лекция

       IV.

               К середине XIX века синтезировали органические кислоты, спирты, бензол, красители, тротил; в начале XX века Нобель синтезировал динамит. Также в начале XX века Фишер синтезировал белковые молекулы с помощью пептидной связи, создав первый искусственный белок. В 1956-м году Крик и Уотсон синтезировали ДНК и РНК, открыв их структуру. В 1928-м Флеминг синтезировал пенициллин. Одну из групп CH₂ научились «снимать» с молекулы и подставлять другие группы для получения различных свойств. Таким образом, на данный момент уже получено около 100 видов различных антибиотиков. В настоящее время синтетическая химия – это мост между химией и биологией. Ежегодно синтезируются около 1000 килограмм аскорбиновой кислоты. Вообще все витамины синтезированы, но у искусственных витаминов усвояемость не превышает 50%. При их получении используется давление в 15-20 тысяч атмосфер и низкую температуру порядка -60°С. Органический синтез очень селективен, то есть, требует строго определенную температуру и давление. Хемоселективность – изучение реакционной способности вещества. Стереоселективность – пространственная структура молекулы. Алкалоиды – стрихин, никотин, хинин, кофеин. Все они ядовиты и все – апперетивные. Технологическая химия возникла в середине XIX века. Главный вопрос: при каких условиях и каким образом происходит химическая реакция. Закон действия масс (1863), или закон Гульбена и Ваге: Скорость химической реакции при постоянной температуре прямо пропорционально концентрации реагирующих веществ.

               A+B®C

               V=kC_A·C_B

C в молях на литр, k – коэффициент.



   g - температурный коэффициент реакции, g=2…4

Правило Вант-Гоффа: При повышении температуры на 10° скорость реакции увеличивается в 2-4 раза.

V_t+Δt=60

V_t=40.

Скорость реакции зависит от энергии активации молекул.

Энергия активации – это так энергия, которая необходима молекуле, чтобы вступить в реакцию.

E_акт=40 кДж/моль (реакция нейтрализации)

Е_акт=40-2000 кДж/моль (Например, N₂+O₂).

Огромное большинство химических реакций обратимы. Обратимость реакций мешает производству. Ле Шателье (188) вывел правило смещения равновесий: Если на систему, находящуюся в состоянии химического равновесия подействовать извне, то равновесие сместится в том направлении, которые ослабляют это воздействие. Изменяется температура, концентрация, давление.



1.

2.

3.

            Катализ – изменение скорость реакции под действием веществ, называющихся катализаторами, которые участвуют в химической реакции но остаются химически неизменными.

            Катализ может быть положительным, то есть, скорость реакции увеличивается, а может быть отрицательным, скорость замедляется. В этом случае вещество называется не катализатором, а ингибитором.

            Если продукты реакции, катализатор и реагенты находятся в одной фазе (газ, жидкость, твердое), то реакции называются гомогенными, если нет, то гетерогенными. Катализатор снижает энергию активации и увеличивает число активных молекул. Если катализатор ввести в обратимую реакцию, то он повышает скорость прямой и обратной реакции одинаково. Катализатор не смещает равновесие.

            Электрокатализ – реакции идут на поверхности электродов.

            Фотокатализ – когда используется энергия поглощенного излучения (фотосинтез, многие реакции получения полимеров).

            Ферментативный катализ – под действием ферментов (биокатализаторов). Другое название ферментов – энзимы, а наука о них – энзимология. Отличие ферментов от промышленных катализаторов: ферменты – белковые молекулы, включающие небольшое количество комплексов металлов, от которых зависит активность фермента. Фермент работает при физиологической температуре и давлении. Он долго работает без регенерации. Они расходуются в течение жизни. Ферментативное ускорение реакции – в десятки и сотни миллионов раз!!! Одна молекула фермента за одну минуту способна превратить 36 000 000 молекул исходных элементов. Природные ферменты способны к самоорганизации. Недостаток ферментов: живут только внутри клетки, вне ее разрушаются спустя несколько минут; при высокой температуре происходит денатурация, у каждого из них своя среда.

            В энзимологии возникло три направления:

1.

2.

3.

16 лекция

Основные направления химии на современном этапе её развития.

Химия новых состояний (экстремальных)

Полимеры

Композиционные материалы

Жидкие кристаллы

Оптические материалы

Радиационная химия

Высокие температуры, давления, энергии (Плазмохимия, лазерная химия)

Получение ферментов

Исследование автоколебательных реакций

Моделирование работы живой клетки.

Полимеры

            На современном этапе синтетическая химия – это химия полимеров. Они бывают природные, синтетические и искусственные. Природные: белки, нуклеиновые кислоты, клетчатка, кожа, каучук, шёлк – продукты жизнедеятельности организмов; многие минералы. В 1974 году Вакрамасиндхе обнаружил полимер формальдегида в облаках межзвездной пыли. H-COH. Полимерное состояние вещества – одна из форм существования материи во вселенной. Искусственные полимеры – из природных материалов – ацетатное волокно, искусственный шёлк, искусственный каучук. Синтетические – из неорганических или простых органических веществ. Аналога в природе не имеют. Используют реакции полимеризации и поликонденсации для получения всех типов полимеров. Полимеризация – много мономеров соединяются в цепочку. Очень чувствительны к примесям, выделить вещество на определенной промежуточной стадии реакции невозможно. Поликонденсация – постепенное присоединение мономеров. Значит, реакцию можно остановить на каком-либо этапе, получив промежуточные вещества. Реакции поликонденсации не слишком чувствительны к примесям. Все природные полимеры получаются реакцией поликонденсации. Реакция поликонденсации сыграла большую роль в эволюции живых организмов (белки, нуклеиновые кислоты). Реакция полимеризации в природе не существует. К настоящему времени получено около пятисот тысяч различных полимеров. Самые важные из них, «три кита» - полиэтилен, полистирол и поливинилхлорид.

- реакция полимеризации этилена.

- структурная формула полистирола.

- структурная формула поливинилхлорида.

            Полистирол – основа получения всех искусственных каучуков. Более пятисот модификаций этого полимера . Более 10 видов каучуков.

            Термопласты делают на основе этих же трех веществ (выдерживают высокую температуру). Эластомеры (искусственная кожа) делают из полистирола. В год производится более 40 миллионов тонн этих трех полимеров.

            Синтетические ткани (более 50% тканей – синтезированных). Первая ткань - ацетатный шёлк. Очень прочный, но прилипает к телу, закупоривая поры (используется при изготовлении парашютов). Современные – интеллигентные волокна – акрил или полиэстер. Их не надо гладить. 10000 м волокна Ø=0,006 мм весят менее 1 грамма. Кевлар также получен из акрила. Он прочнее стали на разрыв. Используется в бронежилетах и салонах автомобилей. Недостаток всех синтетических волокон – ксенобиотизм: они не расщепляются бактериями. Разрушаются только под воздействием озона и ультрафиолетового излучения. Наиболее активное направление – в поиске ферментов. В частности, разрушающих синтетические полимеры. Возможная замена металлов полимерами. Протезирование, в эти случаях нужны полимеры, которые не разлагаются. Композиционные материалы – это сплавление разных материалов, например, металлокерамика (BNSiO₂) – по твердости не уступает алмазу, CuSi – карборунд, BN – нитрид бора. Si-Al-O-N – твердые, термостойкие, легко окрашиваемые, часто используются в качестве металлов.

            Жидкие кристаллы – это жидкости, которые обладают, как и кристаллы, оптическими свойствами. Это органические полимеры. Известны уже 100 лет. Используются в жидкокристаллических индикаторах, калькуляторах, мониторах. По энергосбережению не имеют себе равных. Под действием очень слабого электрического поля нарушается ориентация этих молекул, в результате чего сразу изменяются оптические свойства полимерных молекул.

            Оптические кристаллы – это тончайшие кварцевые нити для передачи информации на большие расстояния. Получена высокопрочная нить из SiO₂Чистый SiO₂®охлаждение на кварцевые трубочки®вытягивание в нити. Ø=0,1 толщины волоса.

Это называется волоконной оптикой.

            Радиационная химия – исследование влияния жёстких лучей (гамма-лучей, ультрафиолетовых, рентгеновских) на протекание химических реакций. Полиэтилен теперь получают под воздействием гамма-лучей. Эти излучения ускоряют реакции. В 1961-м году Поляни создал первый химический лазер. Использовал тепло цепных реакций.



            Плазмохимия – проведение химических реакций в струе плазмы. Реагенты смешиваются с плазмой, а потом уже происходит реакция.

            CH₄®C₂H₂

            l=65 см, Ø=15 см – размеры плазмотрона для этой реакции.

            T=3000°C (плазма), за 10^-4 с 80% CH₄ превращается в C₂H₂. За сутки в таком плазмотроне можно получить 75 тонн ацетилена. Плазмохимия используется для получения качественных порошков для порошковой металлургии.

            Получение ферментов (энзимов). В современной энзимологии существует три направления получения ферментов:

Выделение и очистка природных ферментов.

Разработка и синтез искусственных ферментов (искусственных гормонов, витаминов и т.п.).

Моделирование работы живой клетки.

Исследование автоколебательных реакций – это химические процессы, являющиеся самоорганизующимися. Белоусов и Жаботинский в 1953 году.



            Реакция работает как часы. Закручивается против часовой стрелки, попеременно меняя цвет.

            Окисление пропана и бутана – причина стука в моторе, так как окисление происходит в «режиме» автоколебаний. В целом в природе очень много ритмичных процессов.

17 лекция

Биологические концепции в современном естествознании.

Роль биологии в современном естествознании определяется тремя направлениями:

Традиционная (натуралистическая)

Физико-химическая

Эволюционная.

1.            XVIII века Карл Линней создал иерархию видов живых организмов и ввел латинскую номенклатуру. Иерархия – подчинение (классы, отряды, роды, семейства, виды). После её создания шло усовершенствование, дальнейшая систематизация. Традиционная биология способствовала развитию и усовершенствованию экологии. Экология – наука о взаимоотношениях живых организмов между собой и с окружающей средой. (ойкос – дом, логос – наука).

2.            XX век. Это внедрение физико-химических методов анализа в биологию, следствием является интеграция естественных наук. Объект изучения – молекулы, структура живой материи и их функции.

      Методы изучения:

·

А.

Б.

·

А.

Б.

В.

Г.

Главным достижение физико-химической биологии является расшифровка генетического кода, механизма работы ферментов, механизмов высшей нервной деятельности (ВНД).

3.   Эволюционная биология. Эволюция живых организмов – длительный необратимый процесс развития природы со времени возникновения жизни. Этот процесс связан с приспособлением живых организмов к изменениям окружающей среды.

      В Индии действовали философские школы, учившие, что природа эволюционирует. За 1000 лет до н.э. они утверждали. Что человек произошел от обезьяны. За 2000 лет до н.э. в Китае была популярна селекция, искусственный отбор.

      Идея единства всей природы впервые была высказана Аристотелем в III веке до н.э. Он составил лестницу существ (от минералов до человека), которой пользовались 19 веков.

      В 1270-м году Роджер Бэкон выступил против учения Аристотеля насчет возможного скрещивания видов (русалки, гидры, кентавры и т.п.). В 1570-м году Фрэнсис Бэкон сформулировал принцип эмпирики, означающий необходимость экспериментального подтверждения всех научных теорий.

      В середине XIX века церковь разрешила вскрытие трупов, в связи с чем начала бурно развиваться анатомия.

      Ж. Бюффон в 1749 издал свою «Естественную историю», работу, состоящую из 36 томов. Эразм Дарвин (дед Чарльза Дарвина), бывший последователем Бюффона, сказал о единстве происхождения всех живых существ.

      В XVIII веке М.В. Ломоносов отверг божественное начало живого. В XVIII Вольф занимался исследованием эмбрионального развития человека.

      В начале XIX века появилась теория катастроф Ж. Кювье. Останки определенных животных встречаются в строго определенных геологических пластах, и он предположил, что все живое периодически уничтожалось катастрофами, и развитие начиналось по-другому. В 60-е гг. XX века учёные отчасти вернулись к этой теории.

      Ламарк (1744-1829) – создал первое эволюционное учение. Он ввел термин «биология». Опубликовал своё эволюционное учение в 1809-м году – «Эволюционное развитие природы». Обосновал происхождение человека от обезьяны. Дал эволюционное обоснование лестницы существ Аристотеля. Он считал, что эволюция происходит от изменения привычек, то есть, от упражнения. В начале XX века Вейсман, пытаясь проверить это, в течение нескольких поколений отрезал у мышей хвосты, но они продолжали рождаться с хвостами, так он указал на ошибку в учении Ламарка.

      В 1859 Чарльз Дарвин опубликовал свою эволюционную теорию «Происхождение видов путём естественного отбора». Все 1250 экземпляров книги разошлись в один день.

      Основные положения теории естественного отбора Дарвина:

1.

2.

А.

Б.

В.     Борьба с неблагоприятными условиями среды. В ходе естественного отбора основное значение имеет фенотип организма: окраска, способность быстро перемещаться, устойчивость к действию высоких или низких температур и многое другое. Широкое распространение инсектицидов привело к возникновению у многих видов насекомых устойчивости к ним. (Дополнение автора конспекта).

3.

4.

Основные формы естественного отбора:

1.

2.

3.

            Если внешние условия не изменяются в течение длительно времени, то идёт стабилизирующий отбор, направленный против особей, признаки которых отклоняются от средней нормы вида. Один из его результатов – биохимическое единство живых существ (Аминокислотный и ферментный состав). Стабилизирующий отбор оберегает вид от существенных изменений. Он играет консервативную роль в эволюции живых организмов.

            Вид – совокупность особей, имеющих генетическое, морфологическое и физиологическое сходство, свободно скрещивающиеся и дающие плодовитое потомство.

            Движущий отбор действует при существенных изменениях условий внешней среды и направлены на сохранение особей, признаки которых отклоняются от среднего для вида значений. Именно движущий отбор приводит к появлению новых видов.

            Дизруптивный отбор происходит на фоне резкого изменения условий существования и направлен против среднего значения признака вида, причём, благоприятствует нескольким направлениям изменчивости.

            Искусственный отбор – это планомерное улучшение сортов растений и пород животных с заданными признаками. Он приводит к накоплению признаков, не приносящих пользы виды. Наследование признаков не происходит без участия человека.

18 лекция

            Уже при жизни Дарвина его эволюционную теорию начали критиковать. Английский инженер Дженкин говорил о том, что встреча двух особей с одинаковым полезным признаком маловероятно, тем более, что эти полезные признаки будут постепенно разбавляться. В учении Дарвина не хватало генетики. Когда Дарвин писал своё учение, уже жил и работал Мендель. Открыл закон о наследовании признаков, то есть, разработал механизм наследования, не зависящий от условий, а зависящий от возможных комбинаций по теории вероятностей. Мендель опубликовал свою работу в 150 экземплярах, и поэтому Дарвин просто не получил возможности ознакомиться с ней. В 1900 году де Фриз переоткрыл законы Менделя, но, найдя его книгу и узнав, что законы были открыты на 40 лет раньше, покончил жизнь самоубийством. В 1901 году Иогансен назвал эти признаки генами.

            Гипотеза: Новые виды получились резким переходом, подходом к точке бифуркации системы, то есть, революционное.

            Мендель и де Фриз являются основателями формальной генетики. Главный тезис – работает только теория вероятностей в распределении генов, а не среда.

            В 20-е годы XX века эти две теории объединились благодаря работам группы русских учёных: Вавилов, Четвериков, Дубинин, Тимофеев-Ресовский, Кольцов. Они экспериментально показали, что мутации возникают в ходе молекулярной перестройки наследственной структуры (ДНК). Такие перестройки могут происходить и под действием внешних условий и чисто вероятностно. При объединении двух теорий получилась молекулярная генетика.

            Они также разработали синтетическую теорию эволюции (СТЭ).

Мутационный процесс протекает постоянно.

Во всех, без исключения, популяциях, должны присутствовать самые разные мутации, даже в естественных условиях.

В ходе переработки этих мутаций под действием естественного отбора и происходит процесс эволюции.

      Мутации (флуктуации) ® Естественный отбор ® Новый признак (или вид).

В синтетической теории эволюции заложено две эволюции:

Микроэволюция – изучает онтогенез (индивидуальное развитие организма от зачатия до смерти). Мутации рассматриваются на внутривидовом уровне, в пределах популяции. Популяция – это группа особей одного вида, имеющая единый генофонд и проживающая на одной территории (ареал).

            Рассматриваются генотипические мутации – изменчивость на уровне ДНК. Генотип – совокупность наследственных факторов, полученных от родителей в      момент оплодотворения.

            Фенотипическая мутация – изменчивость, связанная с влиянием среды. Фенотип – совокупность признаков и свойств организма, которые возникают при взаимодействие с факторами среды.

            Модификационные мутации – мутации, происходящие из-за неоднородности условий против организма. Решающей для эволюции вида является генотипическая мутация.

Макроэволюция изучает филогенез. Филогенез – это процесс становления органического мира в целом. Изучение вида в историческом развитии.

Синтетическая теория эволюции привела к следующим важным положениям:

·

·         Этим и объясняется нежелательность зачатия потомства от близких кровных родственников – при близости генотипов резко возрастает вероятность проявления мутаций (Прим. авт. консп.).

Социально-общественный уровень

Структурные уровни живых организмов.

® ноосфера

Биогеоценоз (экосистема)

Биоценоз

Популяция, вид

Органы, системы органов

Ткани

Биологический уровень

Молекулярно-генетический уровень.

Это – так называемая иерархическая матрёшка.

            На молекулярном уровне осуществляется самый главный жизненный процесс – хранение и передача генетической информации. Он осуществляется с помощью ДНК, которая находится в эукариотных (ядерных) клетках. Хромосома – гигантская полимерная молекула. В каждой из них не менее 10000 молекул ДНК. В молекуле ДНК не менее 20000 звеньев (нуклеотидов).

46 хромосом, в каждой из которых не менее 10000 молекул ДНК, в каждой из которых около 20000 звеньев. (≈9,2·10⁹). Вариаций звеньев – более, чем атомов в Солнечной системе. Общая длина ДНК во всех клетках человека почти в 1000 раз больше расстояния от Земли до Солнца. Все ДНК человека составляют геном. ДНК была открыта в 1869 году Мищером. Он выделил её из клеток и назвал нуклеиновой кислотой. Щепотьев в 1914 году высказал предположение о причастности ДНК к передаче наследственной информации. Нуклеиновые кислоты одинаковы для фторы и фауны.

Строение ДНК.

            В 1953 году аспиранты Крик и Уотсон экспериментально установили строение ДНК – двойная спираль. Нуклеотид состоит из азотистого основания, пятиатомного сахара (дезоксирибозы) и остатка фосфорной кислоты. Возможные основания: аденин, тимин, цитозин и гуанин.

            Существуют три способа передачи генетической информации.

Митоз

Мейоз

Биосинтез

Митоз обеспечивает эмбриональное развития, рост организма, восстановление органов, тканей после повреждения. Митоз – бесполое размножение. Из одной родительской клетки получаются две совершенно одинаковых дочерних клетки. Если при копировании нарушается какой-либо участок, то ДНК, как сложная самоорганизующаяся система сама исправляет ошибку. За миллионы лет ДНК выработала ферменты, отщепляющие неправильные участки и достраивающие недостающее. Это и есть консервативность наследственности. Меньше всего нарушаются гены как раз при мейозе.

Мейоз. Из двух родительских клеток – гамет образуется одна – зигота, поэтому количество хромосом всегда чётное. Сома – тело. Между соматическими и половыми клетками различия: соматические способны к делению, половые не делятся. Значение мейоза:

Благодаря мейозу в клетках организма поддерживается постоянное число хромосом вне зависимости от числа поколений, то есть, поддерживается постоянство вида.

Мейоз способствует пересортировке генов. Кроссинговер – обмен частями хромосом. В процессе мейоза происходят мутации, то есть, изменения генотипа.

      ДНК®и-РНК®Рибосома (т-РНК) ®Белок

В отличие от ДНК, РНК распадается довольно быстро (от нескольких минут до нескольких часов. Синтез белков можно ускорить анаболиками, гормонами. Рост белков замедляется при помощи антибиотиков. В самом простом случае ген представлен двумя формами-аллелями. Трёхаллельный ген – например, определяющий группу крови человека.

ABO

1 – OO

2 – AO, AA

3 – BO, BB

4 – AB

В настоящее время учёные считают, что за старение человека отвечает потеря генетической информации при неточной репликации ДНК. Продолжительность жизни зависит от способности ферментов чинить поврежденные участки ДНК. Старение – накопление дефектов ДНК, значит, борьба со старением – борьба за сохранение генетической информации.

Мозг является носителем разума и интеллекта. Структурная единица мозга не нейрон, а ансамбль нейтронов. Эволюция мозга человека происходит за счет:

развития величины полушарий

увеличения нейронов

все большей организованности ансамблей нейтронов

развития лобных долей мозга, которые отвечают за мыслительную способность

            Генетический потенциал мозга живого организма, зависящий от развития ансамблей, жёстко ограничен во времени, при пропущенных сроках потенциал угасает.

            Нервные клетки отличаются от всех остальных клеток большим объемом V=10^-3 мм³, m=10^-6 г. Нейрон – бинарная ячейка. В мозге человека содержится примерно 10¹¹ нейронов. Каждый нейрон связан с 10⁴ нейронов.

            В нервное системе высших животных используется два вида сигналов - электрический и химический. Электрический сигнал поступает к клетке извне и проходит через мембрану. Происходит деполяризация мембраны с положительного заряда. Электрическое сопротивление мембраны 0,01 В (Разность потенциалов). Скорость входного сигнала – 4 м/с, а выходного – 100 м/с. Когда электрический сигнал доходит до синапсов, то от них происходит выброс химического вещества – медиатора. Он доходит до следующего нейрона и возбуждает уже электрический сигнал. Мозг напоминает аналоговое вычислительное устройство. Если мозг сравнить с компьютером, то он отличается тем, что работает статистически, потоками нейронов, а не отдельными нейронами, что является хорошей биологической защитой организма. Начиная с 25 лет человек естественным путём теряет 1-2 нейрона ежесекундно. Полная аналогия между ЭВМ и мозгом невозможна, так как мозг способен изменять силу синаптических изменений. Например, выработкой гормонов. В 2001 были обнаружены спайны (иголочки, покрывающие дендриты), на которых, предположительно, удерживается информация в мозгу. На одном нейроне около 20000 спайнов. Их количество может увеличиваться.

Проблемы искусственных нейронных сетей:

Количество межэлементных связей

Обучение (хорошо обученные небольшие нейтронные сети, включающие менее 100 нейронов). При увеличении размеров сети возникает задача противоречивых ситуаций. В настоящее время нейронные сети используются для распознавания образов, построения прогнозов по курсам акций и валют, анализа нефтяного рынка.

Успехи генной инженерии.

            В 1998 году начался проект «Геном человека», в котором участвуют 20 стран. США вложили в этот проект 253 миллиона долларов. Цель – определить все гены человека. Определены гены-возбудители сифилиса, туберкулёза и 20 других бациллоносителей, которые передаются при мейозе. Расшифровка генома человека уже привел к установлению последовательности генотипа ДНК. Обнаружены гены, отвечающие за сахарный диабет, злокачественные опухоли, агрессивность, наркоманию. Разработана программа ранней диагностики патологий внутриутробного развития. Нашли способ выделения вредного гена из ДНК. Можно заменить ошибочный ген на правильный при помощи ферментов, переносимых специальным вирусом.

5rik.ru

Материалы для учебы и работы

Лекции по Концепциям Современного Естествознания (КСЕ)