ВУЗ: Не указан
Категория: Не указан
Дисциплина: Не указана
Добавлен: 03.01.2020
Просмотров: 1328
Скачиваний: 3
Лобачевский и Риман считали, что разрешить вопрос о том, какова действительная геометрия нашего мира, могут лишь физические эксперименты. Эйнштейн в ОТО «офизичил» неевклидову геометрию. Под действием гравитационных полей метрика пространства становится неевклидовой. Эйнштейн подтвердил идеи римановой геометрии. Он связал геометрию и тяготение воедино. Метрические характеристики реального мира зависят от гравитационных полей. Луч света, обладающий энергией, а следовательно, и гравитационной массой, должен искривляться в поле тяготения (впоследствии данный теоретический вывод Эйнштейна нашел экспериментальное подтверждение). Искривление светового луча в поле тяготения свидетельствует, что скорость света в таком поле не может быть постоянной.
Вокруг общей теории относительности до сих пор не затихают споры. Сторонники этой теории в качестве решающих доказательств ее справедливости выдвигают экспериментальное подтверждение важнейших следствий общей теории относительности. Так, биографы Эйнштейна считают самым сильным эмоциональным событием за всю научную жизнь Эйнштейна, а может быть, и за всю его жизнь объяснение поворота орбиты Меркурия с помощью общей теории относительности.
Другим важным следствием общей теории относительности является следующее предсказание: лучи света, проходящие вблизи Солнца, обязаны искривляться. Опыты, проведенные во время солнечных затмений в 1919 и 1922 годах, показали полное совпадение с выводами общей теории относительности.
Эффекты общей теории относительности в Солнечной системе малы из-за относительно слабого гравитационного поля Солнца, что ограничивает рамки возможных экспериментов. Общая теория относительности получила, таким образом, экспериментальное подтверждение лишь для слабого гравитационного поля, на что и указывают скептики.
Итак, согласно ОТО, все системы отсчета являются равноценными для описания законов природы, а пространственно-временные свойства окружающего мира зависят от расположения и движения тяготеющих масс. Эйнштейн показал, что движение в поле тяготения вызывается не действием особых гравитационных сил, приложенных к движущимся телам, а представляет движение по инерции, но в неевклидовом пространстве. В ОТО не только пространство и время по отдельности, но и пространственно-временнуй континуум лишаются абсолютности.
В дополнение к реляционной концепции сформулируем основные свойства пространства и времени:
• пространство и время объективны, т.е. существуют независимо от сознания людей и их познания, они связаны с материей как формы координации материальных объектов;
• они являются универсальными, всеобщими формами бытия материи, отсюда ничто не может существовать вне времени и пространства;
• пространство трехмерно, т.е. положение любого объекта может быть определено с помощью трех независимых величин (координат); в прямоугольной декартовой системе координат — это X, У, Z (длина, ширина и высота), в сферической системе координат — это будут радиус-вектор r и углы и , в цилиндрической системе — высота Z, радиус-вектор r и угол ; наряду с трехмерным пространством в науке используется и понятие многомерного (n-мерного) пространства; реальное пространство трехмерно, а понятие n-мерного пространства — пример математического обобщения, математической абстракции;
• необратимость времени и его одномерность. Одномерность времени означает, что для фиксации положения объекта во времени достаточно одной величины — промежутка времени t, протекшего от начала отсчета (t=0). Время необратимо течет от прошлого через настоящее в будущее. В нашей литературе наиболее распространена точка зрения, согласно которой необратимость времени выводится из причинности, так как причина всегда предшествует следствию. Хотя некоторые авторы не согласны с такой трактовкой, утверждая, что речь должна идти не о дедукции одной категории из другой, а о том, находит ли необратимость времени выражение в фундаментальных естественнонаучных законах; так, в макроскопических процессах данная необратимость находит свое выражение в законе возрастания энтропии (для микромира также характерна физическая неэквивалентность двух направлений времени, связанная с процессом взаимодействия квантового объекта с классическим объектом);
• однородность времени, а также однородность и изотропность пространства; однородность пространства означает равноправие всех его точек; изотропность — равноправие всех возможных направлений; однородность времени проявляется в равноправии всех его моментов. Перечисленные свойства связаны с фундаментальными законами физики — законами сохранения: симметрии относительно сдвига времени (т.е. однородности времени) соответствует закон сохранения энергии; симметрии относительно пространственного сдвига (т.е. однородности пространства) — закон сохранения импульса; симметрии относительно поворота координатных осей (т.е. изотропности пространства) — закон сохранения момента импульса (углового момента). Данные свойства пространства и времени лежат и в основе галилеевского принципа относительности, и в основе специальной теории относительности.
В современной науке используются понятия биологического, психологического и социального пространства и времени (например, особенности пространственно-временных параметров органического мира характеризуют биологическое пространство и время, психологическое связано с особенностями психологического восприятия пространства и времени, а социальное описывает особенности хронотопа социальных явлений и процессов).
Тема
6
Динамические и статистические
закономерности в природе
Всякий закон природы выражает связь, которая характеризуется следующими признаками сущностного отношения: всеобщностью, необходимостью, повторяемостью, устойчивостью. Глубинную основу законы имеют в отношениях объективной детерминации, существующей между явлениями. Многообразие видов детерминации (причинной обусловленности) ведет и к многообразию законов природы. Разная структура отношений детерминации позволяет выделять динамические и статистические (вероятностно-статистические) законы.
Динамические законы —законы, управляющие поведением индивидуального объекта и позволяющие установить однозначную связь его состояний. Это —форма причинной связи, а также связи состояний, при которой данное состояние системы однозначно определяет все ее последующие состояния, в силу чего знание изначальных условий дает возможность точно предсказать дальнейшее развитие системы. Таковы, к примеру, законы классической механики. Основная цель механики —описание движения тел в пространстве под действием приложенных к ним сил. Поэтому главная задача —рассчитать траекторию движущегося тела, т.е. для любого момента времени указать значение координат и скорости этого тела. Координаты и скорость частицы носят название динамических переменных. Они определяют состояние частицы.
Согласно второму закону Ньютона, по данному начальному состоянию можно вычислить любое последующее состояние, если известен характер силы, действующей на частицу.
В теории электромагнитного поля меняются динамические переменные, описывающие состояния системы, но остается жестко однозначный характер связи начального состояния с последующими. Место координат и импульсов занимают компоненты векторов электрической и магнитной напряженности поля, а законы механики заменяются уравнениями Максвелла, позволяющими по состоянию поля в данной точке и в данный момент времени точно рассчитать его состояние в другой точке в последующий момент.
В рамках классической физики лишь статистическая термодинамика по своему содержанию выходила за рамки однозначной причинности. Но длительное время ее законы рассматривались лишь как проявление ограниченных возможностей человека в раскрытии тайн природы, а не как выражение объективно-вероятностного характера существующих в природе связей. Однако положение существенно изменилось с открытием законов квантовой механики, когда было сформулировано понятие статистического закона.
Вероятностно-статистический закон —закон, управляющий поведением больших совокупностей, а в отношении индивидуального объекта позволяющий делать лишь вероятностные (неоднозначные) заключения о его поведении. Такого типа законы действуют во всех неавтономных, зависящих от постоянно меняющихся внешних условий системах с большим количеством элементов. Подобные законы характеризуют поведение всей совокупности объектов, но не позволяют однозначно предсказывать поведение отдельных индивидуальных объектов (такие предсказания имеют лишь вероятностный характер). Вероятностный характер квантовых свойств микромира принципиален и изначален. Так, согласно принципу неопределенности,невозможно объект микромира с любой наперед заданной точностью характеризовать одновременно и координатой, и импульсом. Микрочастицы из-за наличия у них волновых свойств существенно отличаются от классических частиц.
Вероятностное толкование волновой функции было подготовлено работами Бора, который применял идею вероятности к переходам электронов, но еще раньше Эйнштейн ввел понятие вероятностей для спонтанного и индуцированного излучений. От них вероятностные представления вошли в науку XX столетия. Но единой интерпретации самого понятия «вероятность» не существует: его трактуют как отношение числа случаев, благоприятствующих появлению события, к общему числу всех возможных случаев; как отношение числа появления интересующего события к общему числу всех наблюдений, когда число последних достаточно велико (при таком подходе вероятность относится к некоторой группе событий). Всюду, где имеют место массовые случайные или повторяющиеся события, можно обнаружить определенные регулярности, обладающие относительно устойчивой частотой.
При обнаружении вероятностных законов встал вопрос об их соотношении с динамическими. Первоначально полагали, что статистические законы обладают меньшей эвристичностью, чем динамические, поскольку констатируют ограниченность наших познавательных способностей, которые не могут учесть всех случайных факторов в развитии того или иного явления. Но даже те исследователи, которые признавали объективную основу таких законов, рассматривали их как производные от динамических. Последнее обстоятельство подтверждала статистическая механика: каждая отдельная молекула подчинена динамическому закону, а все вместе они подпадают под действие статистических законов.
Однако развитие квантовой механики показало, что статистические законы столь же глубинны, как и динамические, а различие данных типов законов относительно, так как всякий динамический закон представляет собой статистическую закономерность с вероятностью осуществления событий, близкой к единице.
С расширением пространственно-временных интервалов связь между предшествующими и последующими состояниями любой системы все в большей степени подчиняется законам вероятностной детерминации, что обусловлено незамкнутостью систем, ограниченной реализацией многих тенденций развития, возникновением возможностей и тенденций качественно новых состояний. Поэтому приписывание фундаментального онтологического статуса любому из этих двух типов законов неправомерно. Динамические и статистические законы — самостоятельные, характеризующие материальные системы с различных сторон, и дополняющие друг друга.
Строго детерминистские законы дают точные предсказания в тех областях, где можно абстрагироваться от сложного характера взаимодействия между объектами, отвлечься от случайностей. Когда же переходят к исследованию сложных систем, состоящих из большого числа элементов (например, законов термодинамики), или когда необходимо дать характеристику какой-либо совокупности средними показателями отдельных составляющих (как в законах общественного развития), рассмотреть вероятностные оценки отдельных элементов совокупности, тогда обращаются к статистическим законам, опирающимся на вероятностные предсказания.
Тема
7
Химические системы
Химия —наука, изучающая свойства и превращения веществ, сопровождающиеся изменением их состава и строения. Отдельные гениальные догадки о строении и свойствах вещества встречались уже в древние времена, но первый по-настоящему действенный способ определения свойств вещества был предложен во второй половине XVII века Р. Бойлем. Именно его идеи положили начало учению о составе вещества. С тех пор химия как наука активно развивается. Представления о современной химии могут быть обрисованы четырьмя концептуальными системами химических знаний.
7.1. Учение о составе вещества
Оно решает три проблемы, в которые входят:
• анализ состава химического элемента;
• определение состава химического соединения;
• применение химических элементов для производства новых материалов.
Р. Бойль ввел трактовку химического элемента как «простого тела», предела химического разложения вещества. Однако в тот период еще не было известно ни одного химического элемента. Затем появились точные методы количественного анализа вещества, которые способствовали открытию химических элементов. В результате были открыты фосфор, кобальт, никель, водород, фтор, азот, хлор, марганец, кислород. Открыв кислород и определив его роль в образовании кислот, оксидов и воды, А. Лавуазье опроверг господствующую в то время в химии теорию флогистона. Он попытался систематизировать известные на тот момент химические элементы. Но построить систему таких элементов удалось лишь Д. Менделееву, доказавшему, что место химического элемента в периодической системе определяется атомной массой. Менделеев дал следующую формулировку периодического закона: свойства простых тел, а также формы и свойства соединений элементов находятся в периодической зависимости от величины атомного веса элементов. Вместе с тем дальнейшие исследования показали, что место элемента в периодической системе определяется зарядом атомного ядра. Свойства простых веществ, а также формы и свойства соединений элементов находятся в периодической зависимости от величины заряда ядра атома (порядкового номера).
Отсюда, химический элемент —это совокупность атомов, обладающих одинаковым зарядом ядра.
Во времена Менделеева было известно 62 элемента. В 30-е годы система элементов заканчивалась ураном (Z=92). К 1955 году было открыто еще девять элементов, а к 1995 —еще несколько (нобелий — 102, лоуренсий — 103, курчатовий —104, жолиотий —105, резерфордий — 106, борий — 107, ганий —108, мейтнерий — 109).
Проблема химического соединения до недавнего времени особых споров не вызывала, но применение физических методов при исследованиях вещества открыло «физическую природу химизма, которая заключается во внутренних силах, объединяющих атомы в молекулы как единую квантово-механическую систему. Этими силами являются химические связи, а они представляют собой проявление волновых свойств валентных электронов»*.