• в обычном состоянии любое тело содержит равное количество разноименных зарядов, взаимно нейтрализующих друг друга.

• одноименные заряды отталкиваются

• наименьшая устойчивая частица, являющаяся носителем элементарного отрицательного заряда - электрон, имеющий массу m_o^e=9,1×10^-31 кг.

• электрический заряд частицы является дискретным, т.е. состоящим из отдельных элементарных порций q=± ne, где n – целое число е – элементарный заряд.

• элементарный электрический заряд равен заряду электрона е=1,6×10^-19 Кл. , это наименьший существующий в природе заряд.

Французский физик Ш.О.Кулон измерил силы, действующие между двумя зарядами.

Закон взаимодействия точечных зарядов, или закон Кулона: cила взаимодействия F двух точечных неподвижных заряженных тел в вакууме прямо пропорциональна произведению модулей зарядов q и обратно пропорциональна квадрату расстояния r между ними.

где k – коэффициент пропорциональности, который зависит от свойств среды. Таким образом было доказано, что электрическая сила действует так же, как и гравитационная.

В XIX в английский физик М.Фарадей предложил понятие поля. Концепция поля сформировалась после утверждения волновой теории в оптике. Волновая теория рассматривала свет как совокупность электромагнитных волн, а наблюдаемые оптические эффекты как результат сложения (интерференции) этих волн.

Понятие поле противоречило представлениям о материи как совокупности атомов и пустоты. По мнению Фарадея, материя непрерывна, атомы есть лишь сгустки силовых линий поля. Электрический заряд в атоме искажает свойства пространства, т.е. создает поле. Поле неподвижных зарядов получило название электростатического. Силовой характеристикой электростатического поля является его напряженность, энергетической характеристикой поля служит потенциал.

М.Фарадей возражал против атомистического взгляда на строение вещества: наличие атомов и пустого пространства между ними. Он считал, что материя занимает все пространство и не существует без движения. Движение материи происходит в результате действия силы притяжения и отталкивания, заряды являются лишь центрами этих сил притяжения и отталкивания. Заряды проницаемы и простираются на бесконечно большое пространство. Таким образом, среда между зарядами выступает не просто передатчиком взаимодействия зарядов, а является носителем сил; заряды же являются продуктами взаимодействия этих сил. М.Фарадей также высказал предположение о единстве электрических и магнитных явлений и пришел к выводу о существовании электромагнитных волн.

Д.Максвелл развил идеи М.Фарадея, разработав и математически оформив в 1865 г. теорию электромагнитного поля, которая привела к созданию электромагнитной картины мира (ЭМКМ). Сущность теории электромагнитного поля Д.Максвелла заключается в том, что источниками электромагнитного поля могут быть электрические заряды или изменяющиеся во времени магнитные поля. Д.Максвелл также пришел к выводу, что свет является разновидностью электромагнитных волн.

---

Основные положения теории ЭМКМ:

• Электрическое поле, соответствующее определенному распределению заряда, описывается исходя из закона Кулона

• Магнитные заряды в природе не существуют

• Переменное магнитное поле возбуждает электрический ток

• Магнитное поле возбуждается движущимися электрическими зарядами или переменными электрическими полями

Развивая теорию электромагнитного поля, Д.Максвелл не отвергал и дискретность материи. Он писал: «Даже атом, когда мы приписываем ему способность вращаться, можно представлять состоящим из многих элементарных частиц». Это было сказано в 1873 г. задолго до открытия электрона. Таким образом, Максвелл не отдавал предпочтения ни дискретности, ни непрерывности материи, допуская возможность и того и другого.

После создания ЭМКМ мир стал представляться электродинамической системой, построенной из электрически заряженных частиц, взаимодействующих посредством электромагнитного поля (теория близкодействия) (вспомним, что в МКМ господствовал принцип дальнодействия, согласно которому действие различного рода сил передается мгновенно, без участия среды).

Разработав положения ЭМКМ, Максвелл завершил картину мира классической физики. Электромагнитная картина мира по сравнению с механистической картиной мира представляла собой значительный шаг вперед в познании окружающего мира. Многие детали электромагнитной картины мира сохранились в современной естественнонаучной картине мира: понятие физического поля, электромагнитная природа сил, ядерная модель атома, дуализм корпускулярных и волновых свойств и многое другое. В то же время в электромагнитной картине мира, как и в механистической, господствовали однозначные причинно-следственные связи, для нее характерна метафизичность, отсутствие внутренних противоречий. Открытые уже в то время вероятностные закономерности не признавались фундаментальными, они не включались ни в механистическую, ни в электромагнитную картину мира. Объединить МКМ, ЭМКМ и вероятностные закономерности протекания процессов позволила теория относительности.

2.4 Основы неклассической физики

Современное естествознание базируется на теоретических концепциях, сформировавшихся в физике в ХХ веке. Они являются основой неклассического естествознания и опираются на ряд фундаментальных предпосылок.

• Современная физика признает объективное существование физического мира, но отказывается от наглядности, т.к. законы современной физики не всегда демонстративны, в некоторых случаях опыт просто невозможен.

• Современная наука признает существование трех качественно различающихся структурных уровней материи: мегамира, макромира и микромира. Законы классической физики описывают процессы макромира.

• Неклассическая физика утверждает зависимость описания поведения физических объектов от условий наблюдения, т.е. от познающего эти процессы человека (принцип дополнительности)

• Современная физика признает существование ограничений на описание состояние объекта (принцип неопределенности).

• Современная физика отказывается от механистического детерминизма, который использует динамические закономерности. Механистический детерминизм предполагает возможность описания мира в любой момент времени, опираясь на знание начальных условий. Процессы в микромире описываются статистическими закономерностями и носят вероятностный характер.

---

Современная физика изменила взгляд на причинно-следственные связи при описании явлений, и стала использовать статистические закономерности. Статистические закономерности имеют форму тенденций и называются вероятностными. Они описывают состояние индивидуального объекта лишь с определенной долей вероятности. Статистическая закономерность возникает как результат взаимодействия большого числа элементов и характеризует их поведение в целом. В статистических закономерностях действует множество случайных факторов. Понятие вероятности, которое используют при описании статистических закономерностей, выражает степень возможности явлений или событий в конкретной совокупности условий. Примеры статистических закономерностей – законы квантовой механики, законы, действующие в обществе и истории.

2.4.1 Пространство и время. Принципы относительности

Теория относительности (специальная и общая) объединила механику И.Ньютона и электромагнитную теорию Дж.Максвела и изменила представления о пространстве и времени, господствовавшие в классической физике.

Специальная теория относительности. Специальная теория относительности (СТО) распространила принципы относительности, сформулированные Г.Галилеем для механических систем (см. 2.3.1) на электромагнитные системы.

Предпосылкой возникновения СТО были экспериментальные данные, которые показали, что скорость света остается неизменной во всех системах координат, независимо от скорости движения источника света. Однако эти выводы противоречили преобразованию Галилея, согласно которому скорость тела относительно неподвижной системы отсчета слагается из скорости тела и скорости системы отсчета (см. Основы классической физики).

А. Эйнштейн показал, что закон постоянства распространения света в вакууме и принцип относительности совместимы. В 1905 году он опубликовал работу, в которой изложил основные положения специальной теории относительности (СТО),

СТО опирается на два основополагающих принципа — принцип постоянства скорости света и принцип относительности.

1. Принцип постоянства скорости света - скорость света в вакууме не зависит от скорости движения источника света и одинакова во всех инерциальных системах отсчета. Скорость света является предельной скоростью распространения материальных взаимодействий и равна 300 000 км/с.

2. Все законы природы одинаковы во всех инерциальных системах отсчета. Не только механические, но и электромагнитные инерциальные системы отсчета равноправны по отношению друг к другу, а события, одновременные в одной системе, не будут одновременными в другой, движущейся относительно первой.

Противоречия классической механики и теории относительности связаны с различиями в представлениях о свойствах пространства и времени.

---

Классические представления о пространстве и времени сформулированы в рамках субстанциональной концепции. Здесь пространство и время рассматриваются как объективные самостоятельные сущности, не зависящие друг от друга и от характера протекающих в них процессов.

Согласно этой концепции пространство – это пустое вместилище для вещества, бесконечное, плоское, евклидово. Характеристиками пространства являются: однородность (одинаковость свойств во всем пространстве), изотропность (нет выделенных точек и направлений), трехмерность (три координаты x,y,z, характеризующие положение тела), симметричность.

Время есть совокупность равномерных моментов, следующих один за другим в направлении от прошлого к будущему. Понятие "время" выражает длительность и последовательность процессов (до, после, одновременно и т. п.). Характеристики времени: однородность, одномерность, однонаправленность (течет от прошлого к настоящему и от него к будущему).

Теория относительности опирается на реляционную концепцию пространства и времени, согласно которой пространство, характеризующееся тремя координатами x, y, z, и время t связаны между собой и образуют единый четырехмерный мир - пространственно-временной континуум, в котором положение тела описывается четырьмя координатами x,y,z,t. Размеры тел (L)и время протекания процессов зависят от системы отсчета, в которой производится их измерение.

Согласно СТО переход от одной ИСО к другой, движущейся относительно первой со скоростью v, должен осуществляться не по преобразованиям Галилея, а по преобразованиям Лоренца, в которых учитывается эта скорость движения. При малых скоростях движения ИСО, много меньших скорости света с, преобразование Лоренца переходят в преобразования Галилея. Следовательно, действие СТО становится значимым для систем, движущихся со скоростями, близкими к скорости света.

Следствием СТО стало признание относительности измерения размеров и массы тел, а так же времени протекания процессов.

• Длина тела, измеренная разными наблюдателями, движущимися относительно друг друга с разными скоростями, должна быть различна; длина тела в движущейся системе будет наименьшей по отношению к длине в покоящейся.

• При увеличении скорости тела его масса не остается постоянной, а растет. Масса тела есть мера содержащейся в ней энергии, а энергия зависит от скорости движения. Эта зависимость отражена в известной формуле Е=mc².

• Время протекания процесса будет различным, если измерять его часами, движущимися с разными скоростями. Физические процессы в движущейся системе отсчета замедляются (относительно неподвижной системы). Замедление хода времени подтверждается в ядерной физике, в частности, в опытах с элементарными частицами.

Следовательно, физический процесс может быть описан только по отношению к конкретной системе отсчета, выбор которой зависит от наблюдателя, т.е. для описания релятивистских явлений фактор наблюдателя становиться существенным.

---

Общая теория относительности. Общая теория относительности (гравитационная теория), созданная А.Эйнштейном в 1916 году, позволяет рассматривать не только инерциальные системы отсчета, но и любые системы координат, которые движутся по криволинейным траекториям и с любыми ускорениями.

Для непрямолинейного или ускоренного движения принцип относительности в его прежней формулировке оказывается уже несправедливым, поскольку в системе координат, движущейся ускоренно (например, вращающейся), механические, оптические или электромагнитные явления протекают иначе, чем в инерциальных системах отсчета.

Используемый в специальной теории относительности четырехмерный континуум пространства-времени представляет собой евклидово или, как говорят, плоское пространство (примером евклидова пространства может служить обычная плоскость). В случае системы координат, движущейся ускоренно, положение какой-либо точки в пространстве может быть определено лишь с помощью криволинейной системы координат. Кривизна пространства измеряется отклонением от классических правил геометрии Евклида. Так, например, в евклидовой геометрии предполагается, что сумма углов треугольника составляет 180⁰. Однако сумма углов треугольника, изображенного на поверхности сферы (поверхность положительной кривизны) больше 180⁰, а на седловидной поверхности (поверхность отрицательной кривизны) меньше 180⁰.

Развитие этих идей А. Эйнштейном привело к представлению, что законы геометрии меняются около тяжелых тел. Новая теория получила название релятивистской теории гравитации. Она установила зависимость между метрическими свойствами пространства-времени и гравитационными взаимодействиями.

Согласно ОТО, все тела движутся по инерции, но динамика их движения определяется кривизной пространства-времени в области движения. Величина поля тяготения в каждой точке зависит от его кривизны. Движение точки в таком пространстве осуществляется не прямолинейно и равномерно, а по геодезическим линиям.

Выводы ОТО получили экспериментальное подтверждение. Приведем несколько примеров.

1. В астрофизике отмечается искривление траектории луча света вблизи массивных тел, отличное по величине от эффекта, предсказываемого классической теории. Такое искривление, например, испытывает луч света, проходящий возле Солнца. В 1919 г. научные экспедиции Лондонского Королевского общества, направленные для изучения солнечного затмения подтвердили правильность этого утверждения.

Наблюдается изменение видимого положения звезд вблизи края Солнца.

Наблюдается искривление (прецессия) эллиптических орбит планет, движущихся в поле сферических тел. Например, такое искривление зарегистрировано у ближайшей к Солнцу планеты - Меркурия.

2. Эффект «абсолютного» замедления времени в гравитационном поле или при ускоренном движении. Этот эффект зарегистрирован по измерению времени распада нестабильных ядер в гравитационном поле.

---

Смотрите также файлы

• М-535.Основы права в вопросах и ответах.doc

• Мен._ в вопросах_и_ответах.doc

• УМП_Пробл. макроэк.нестаб. Бондарь.doc

• УМП_Макроэкономика в вопросах и ответах Ч. 3.doc

• УМП_Макроэкономика в вопросах и ответах Ч. 2.doc