Файл: Концепции современного естествознания: рабочая тетрадь для студентов. Поташкин.docx

Задание 9. Слабое взаимодействие проявляется в микромире. Оно характерно для некоторых физических процессов. Рассмотрите рисунок и познакомьтесь с пояснительным текстом.

На рисунке приведен процесс распада, характерный для неустойчивых атомов (например, изотопов). При этом происходи излучение в пространство частиц, образующих атомную структуру. Используйте это замечание и рисунок для выполнения задания

Задание:

1. Дайте определение некоторым упомянутым в тексте понятиям:

2. Приведите примеры слабого излучения в макромире, где объекты соизмеримы с человеком

Задание 10. Современное естествознание является продолжением науки прошлого. Однако в его структуре происходят изменения. Определите науки, которые продолжают составлять фундамент естествознания, частные науки и интегральные научные направления

1. Фундаментальные науки в составе естествознания:

2.Частные науки в составе естествознания:

3. Дайте определение дифференциации наук:

4. Поясните, что означает интеграция наук как будущее гуманитарной и естественнонаучной сфер знания:

Задание 1. В настоящее время в естествознании преобладают определения категорий симметрии и асимметрии на основании перечисления определенных признаков. Например, симметрия определяется как совокупность свойств: порядка, однородности, соразмерности, гармоничности. Все признаки симметрии во многих ее определениях рассматриваются равноправными, одинаково существенными, и в отдельных конкретных случаях при установлении симметрии какого-то явления, можно пользоваться любым из них. Так, в одних случаях симметрия - это однородность, в других - соразмерность и т. д. То же самое можно сказать и о существующих в частных науках определениях асимметрии.            

    Идея симметрии часто являлась отправным пунктом в гипотезах и теориях ученых прошлого. Вносимая симметрией упорядоченность проявляется, прежде всего, в ограничении многообразия возможных структур, в сокращении числа возможных вариантов. В качестве важного физического примера можно привести факт существования определяемых симметрией ограничений разнообразия структур молекул и кристаллов.

1. Воспользуйтесь приведённым выше пояснением и рекомендованной учебной литературой для того, чтобы дать определения некоторым аспектам симметрии.

1. Изотропность пространства:

2. Однородность пространства

1. Однородность времени:

2. Анизотропность времени:

2. В 1918 году немецкий математик Эмми Нётер сформулировала фундаментальную теорию физики, где устанавливается связь между симметрией физической системы и законами сохранения. Главные выводы Э. Нётер касаются того, что при глобальных преобразованиях системы некоторые её свойства сохраняются. Особенно важны преобразования системы во времени и пространстве. Ниже приведены примеры преобразований системы. Соотнесите их с теми параметрами системы, которые при этих преобразованиях не меняются (воспользуйтесь тезаурусом, приведённым в УМК по дисциплине как справочным материалом и текстом из задания №2)

Задание 2. Ниже приведены некоторые фундаментальные законы сохранения, являющиеся проявлением симметрии. Раскройте содержание некоторых законов (по своему выбору) и некоторых понятий, приведённых в пояснительном тексте.

Закон сохранения энергии, являющийся следствием симметрии относительно сдвига во времени (однородности времени).

       Закон сохранения импульса, являющийся следствием симметрии относительно параллельного переноса в пространстве (однородности пространства).

        Закон сохранения момента импульса, являющийся следствием симметрии относительно поворотов в пространстве (изотропности пространства).

    Закон сохранения заряда, являющийся следствием симметрии относительно замены описывающих систему комплексных параметров на их комплексно-сопряженные значения (С-инвариантность).

    Закон сохранения четности, являющийся следствием симметрии относительно операции инверсии (зарядовая симметрия, Р- инвариантность).

    Закон сохранения энтропии, являющийся следствием симметрии относительно обращения времени  (Т-инвариантность).

1. Формулировка некоторых законов сохранения:

2. Раскройте содержание следующих понятий:

Задание 3. Основные симметрии связаны с особенностями пространства и времени. Представления о времени и пространстве менялись по мере усложнения картины мира от античных времён до научной эпохи релятивизма. Ниже приведены отрывки из учебников, показывающие трансформацию идеи времени и пространства у Аристотеля и И. Ньютона. Воспользуйтесь ими для выполнения задания

Аристотелевский анализ времени представлен в его "Физике". У Аристотеля время – мера движения. Но и само время измеряется движением. Но мерой времени является не всякое движение, а лишь равномерное круговое движение небесной сферы, "круг времени". Но там, где есть мера, есть и число. Поэтому время есть число непрерывного движения, "время не есть движение, а является им постольку, поскольку движение имеет число". Следовательно, оно считаемо. Но считаемого нет без считающего. "Если же по природе ничто не способно считать, кроме души и разума души, то без души не может существовать время..."

Абсолютное пространство — в классической механике— трёхмерноеэвклидово пространство, в котором выполняетсяпринцип относительности и преобразования Галилея. Термин введёнНьютоном(вместе с концепциейабсолютного времени) в «Математических началах натуральной философии». Пространство и время у него выступают в качестве универсального вместилища, обладающего отношениями порядка и существующие независимо как друг от друга, так и материальных тел:

…время и пространство составляют как бы вместилища самих себя и всего существующего. Во времени все располагается в смысле порядка последовательности, в пространстве — в смысле порядка положения. По самой своей сущности они суть места, приписывать же первичным местам движения нелепо. Вот эти-то места и суть места абсолютные, и только перемещения из этих мест составляют абсолютные движения.

Задание:

1. У Аристотеля и И.Ньютона пространство и время – абсолютны. Что это означает по своей сути?

2. И у Аристотеля и у И. Ньютона есть свои представления о системе отсчёта, относительно которой регистрируется и измеряется движение. Найдите указания на эти системы и назовите их:

3. Аристотель считает, что время существует до тех пор, пока существует наблюдатель, а И. Ньютон имеет на этот счёт другое мнение. Выделите из текста и изложите мнения двух учёных:

Задание 4. В начале 20-го века началось детальное изучение микромира и элементарных частиц. Физика столкнулась с особыми свойствами структур микромира, которые невозможно было описать законами классической физики. Эти свойства получили названия парадоксов микромира (парадоксов квантовой физики).

1. Пустота: Если увеличить ядро атома водорода до размеров баскетбольного мяча, то вращающийся вокруг него электрон будет находится на расстоянии 30 километров, а между ними - ничего!

2. Волночастица: Состояние частицы зависит от самого акта измерения или наблюдения. Не измеряемый и ненаблюдаемый электрон ведет себя как волна (поле вероятностей). Стоит подвергнуть его наблюдению в лаборатории, и он схлопывается в частицу (твердый объект, чье положение можно локализировать).

3. Квантовый скачок. Уходя со своей орбиты атомного ядра электрон движется не так, как обычные объекты, - он передвигается мгновенно. Т.е. он исчезает с одной орбиты и появляется на другой. Точно определить где возникнет электрон или когда он совершит скачок невозможно, максимум что можно сделать, это обозначить вероятность нового местоположения электрона.

4. Принцип неопределенности Гейзенберга. Невозможно одновременно точно замерить скорость и положение квантового объекта. Чем больше мы сосредотачиваемся на одном из этих показателей, тем более неопределенным становится другой.

5. Теорема Белла. Все на свете нелокально, элементарные частицы тесно связаны между собой на некоем уровне за пределами времени и пространства. Т.е.: если спровоцировать образование двух частиц одновременно, они окажутся непосредственно связаны друг с другом или будут находиться в состоянии суперпозиции. Если мы затем выстреливаем их в противоположные концы вселенной и через некоторое время тем или иным образом изменим состояние одной из частиц, вторая частица тоже мгновенно изменится, чтобы прийти в такое же состояние.

Со времени открытия парадоксов физика микромира стала неклассической. Ниже приведён отрывок, показывающий принципиальное различие в представлениях о сущности материи на микроуровне. Используйте этот текст для выполнения задания.

Поле - это особая форма материи, которая наделена реальными физическими свойствами, такими как энергия. К наиболее известным относятся электромагнитное и гравитационное поля. В классической физике эти два вида материи - вещество и поле, противопоставляются друг другу. На том основании, что вещество это дискретная, а поле – это непрерывная субстанция. В микромире полевые и корпускулярные аспекты объединяются и представляют собой различные проявления единой, принципиально новой в сущности микрочастиц. Иначе говоря, на микроуровне электромагнитное поле проявляет корпускулярные свойства и наоборот, частица, напр. Электрон, может проявлять волновые свойства. Макромир характеризуется, прежде всего, огромными массами и относительно малыми скоростями движения, в микромире малые массы, но высокие скорости движения. Для макромира характерны большие расстояния вплоть до бесконечности, а взаимодействие в микромире имеют размеры, сопоставимые с размером ядер. Время: в макромире порядок времени, единицы измерения известны, но в микромире мы имеем дело с планковскоми временами, которые очень малы, коротки.

Задание:

1. Найдите значение термина корпускула или приведите перевод этого термина, воспользовавшись словарём. Дайте краткую физическую характеристику корпускулярным объектам.

2. Изучение элементарных частиц привело к появлению в естествознании представления о корпускулярно-волновых свойствах материи (квантово-волновой дуализм). Найдите подтверждение этому в тексте и изложите приведённые сведения:

3. Квантово-волновой дуализм – универсальное явление, но в макромире он незаметен. Какие отличия микромира способствуют проявлению корпускулярно-волновых свойств материи.

Задание 5. Согласно теории Максвелла свет распространяется со скоростью 300 000 км/с. Спрашивается, относительно чего свет движется с такой скоростью? (Если самолет летит по направлению ветра, скорость которого 100 км/ч, а его собственная скорость относительно воздуха 500 км/ч, то относительно Земли самолет летит со скоростью 600 км/ч).

Относительно чего свет движется со скоростью c? Ответ на этот вопрос не содержится ни в теории Максвелла, ни в теории Юнга. Если свет – волна, и если волна распространяется в среде, то свет движется со скоростью c относительно среды. Эта светоносная среда получила название эфира. Дебаты, касающиеся светоносного эфира к концу XIX в. достигли особой остроты. Интерес к эфиру возрос, когда стало ясно, что созданная Максвеллом теория оказалась успешной и, вроде бы, свидетельствует о том, что эфир можно наблюдать.

Если эфир существует, то должен быть обнаружен эфирный ветер. Опыт по обнаружению эфирного ветра был поставлен в 1881 г. американскими учеными А.Майкельсоном и Р.Морли с помощью оригинального интерферометра. Наблюдения проводились в течение длительного времени. Опыт многократно повторяли. Результат оказался отрицательным: никакого движения Земли относительно эфира обнаружить не удалось.

Задание:

1. Движение можно зарегистрировать только по отношению к какой-либо системе отсчёта. Воспользуйтесь текстом выше, чтобы доказать, что эфир считался универсальной системой отсчёта до опытов Майкельсона-Морли. Кратко изложите результаты анализа:

2. Отказ от мирового эфира привёл к необходимости использовать любую систему для того, чтобы регистрировать движение другой системы. Это возродило популярность давно известного принципа относительности. Приведите формулировку принципа относительности и назовите его автора.

Для описания процессов, происходящих в природе, необходимо иметь систему отсчета. Под системой отсчета мы понимаем систему координат, которая служит для указания положения тел в пространстве, вместе со связанными с этой системой координат часами, необходимыми для отсчета времени. Характер движения тел при этом зависит, разумеется, от выбора системы отсчета. Преимуществом пользуются те системы, в которых движение выглядит максимально просто. Как известно в природе существуют такие системы отсчета, в которых свободное движение тела (не находящегося под воздействием внешних сил) выглядит особенно просто — оно происходит с постоянной по величине и направлению скоростью. Такие системы отсчета называются инерциальными.

3. В пояснительном тексте приведены приоритетные свойства системы отсчёта, которые позволяют регистрировать и измерять относительное движение системы без лишних осложнений. Найдите эти свойства и изложите их или прокомментируйте