Если у вас возникли сложности с курсовой, контрольной, дипломной, рефератом, отчетом по практике, научно-исследовательской и любой другой работой - мы готовы помочь.
Предоплата всего
Подписываем
ВВЕДЕНИЕ
Тема 1. Понятие науки и культуры (4 часа)
1. Наука - компонент культуры
Наука - один из древнейших, важнейших и сложнейших компонентов человеческой культуры. Это многообразный мир человеческих знаний, который позволяет человеку преобразовывать природу и приспосабливать ее для удовлетворения своих возрастающих материальных и духовных потребностей. Это и сложная система исследовательской деятельности, направленная на производство новых знаний.
Наука связана с материальным производством, с практикой преобразования природы, социальных отношений. Большая часть материальной культуры общества создана на базе науки и достижений естествознания. Научная картина мира является составной частью мировоззрения человека. Научное понимание природы определяет содержание внутреннего духовного мира человека, сферу его представлений, ощущений, переживаний, динамику его потребностей и интересов.
Понятие культуры очень широкое. Культура - это, что создано человеком (его деятельностью, трудом), человечеством в ходе его истории. Результаты человеческого труда постоянно накапливаются, и потому система культуры исторически развивается и обогащается.
Мир культуры окружает каждого. Индивид становится человеком т.к. он усваивает (выработанные предыдущими поколениями людей) формы деятельности по производству и использованию предметов культуры. На этом пути человек изменяет сам себя, развивает свой внутренний духовный мир, свои знания, интересы, навыки, умения, мировоззрение, ценности, потребности и др. Чем выше степень освоения человеком достижений культуры, тем больший вклад он может внести в ее дальнейшее развитие.
В зависимости от целей деятельности культура делится – на материальную и духовную.
Материальная жизнь людей - это область человеческой деятельности, которая связана с производством предметов, вещей, обеспечивающих само существование, жизнедеятельность человека и удовлетворяющих исходные потребности людей (в пище, одежде, жилье и др.).
В ходе человеческой истории многими поколениями создан мир материальной культуры. По остаткам материальной культуры археологам удается достаточно точно определить этапы исторического развития, своеобразие исчезнувших обществ, цивилизаций.
Духовная культура связана с деятельностью, направленной на удовлетворение духовных потребностей человека — в развитии, совершенствовании внутреннего мира человека, его сознания, психологии, мышления, знаний, эмоций, переживаний и др.
Продуктами духовного производства являются идеи, понятия, представления, научные гипотезы, теории, художественные образы, сюжеты художественных произведений, моральные нормы и правовые законы, политические взгляды и программы, религиозные воззрения. Они воплощаются в своих особых материальных носителях: языке, книгах, произведениях искусства, графиках, чертежах и пр.
Потребляя продукты духовной культуры, мы обогащаем, развиваем свой внутренний, духовный мир - мир знаний, образов, ценностей, переживаний. Создаем условия для совершенствования не только духовной, но и материальной деятельности.
К компонентам духовной культуры относятся: политическое сознание, правосознание, мораль, искусство, религия, философия и наука. Каждый из этих компонентов имеет свой предмет, способ отражения, выполняет в жизни общества конкретные социальные функции, содержит в себе (в разных пропорциях) познавательные и оценочные моменты - систему знаний и систему оценок. Такие компоненты духовной культуры, как мораль, религия, являются по сути своей ценностными, но содержащими и некоторый познавательный элемент. В большей степени познавательный элемент присущ политическому сознанию и правосознанию. В одинаковых пропорциях познавательное и ценностное представлено в философии.
Наука является познавательной формой духовной деятельности, а также содержит ценностные элементы, которые проявляют себя в процессе познания.
Наука - одно из важнейших компонентов духовной культуры. Материально-предметное, практическое изменение мира невозможно без познания мира. Познание может быть донаучным, вненаучным и научным.
Донаучное и вненаучное обыденное, житейское знание позволяет констатировать и поверхностно описывать состояния предметов, вещей, фиксировать некоторые факты. Научное знание предполагает не только описание, но и объяснение фактов, появление всего комплекса причин, порождающих явление. Наука ориентирована на получение такого нового знания, истинность которого не просто утверждается, но и доказывается, обосновывается.
Наука стремится построить объективную картину мира, т.е. отразить его так, как он существует «сам по себе», независимо от человека
Научное знание, полученное на основе проверенных практикой методов познания, выражается в различных формах: в понятиях, категориях, законах, гипотезах, теориях, научной картине мира и др. Оно дает возможность предвидения и преобразования действительности в интересах общества и человека.
Современная паука — сложная и многообразная система отдельных научных дисциплин, которые можно объединить в две сферы: фундаментальные и прикладные науки.
Фундаментальные науки познают объективные законы мира, как они существуют «сами по себе» без учета интересов и потребностей человека, т.е., те которые своими выводами, результатами, теориями определяют содержание научной картины мира.
Прикладные науки нацелены на разработку способов применения полученных фундаментальной наукой знаний объективных законов мира для удовлетворения потребностей и интересов людей. В прикладных науках фундаментальное знание приобретает практическое значение, используется для развития производительных сил общества, совершенствования предметной сферы человеческого бытия, материальной
Каждая наука характеризуется собственными особенностями познавательной деятельности. Науки различаются предметом познания, средствами и методами познания, формами результата познания, теми системами ценностей, идеалами, методологическими установками, стилями мышления, которые функционируют в данной науке и определяют отношение ученых и к процессу познания, и к социально-культурному фону науки.
2. Структура естественнонаучного познания
Метод и методология. Метод — это способ организации средств (инструментов, приемов, операций и др.) теоретической и практической деятельности. Он оптимизирует деятельность человека, вооружает его наиболее рациональными способами ее организации.
Методология — это наука о закономерностях, которым подчиняется метод деятельности, о происхождении, сущности методов, их эффективности. Методология призвана выработать принципы создания наиболее совершенных методов в каждой форме деятельности.
Научный метод - это способ организации средств познания (приборов, инструментов, приемов, предметных и теоретических операций и др.) для достижения научной истины, система регулятивных принципов познавательной деятельности. Научный метод рационализирует и оптимизирует научное познание.
Метод объединяет теорию и практику и подразделяют на эмпирические и теоретические, в соответствии с двумя уровнями научного познания.
Уровни и формы познания.
Эмпирический - этом уровне происходят накопление, фиксация, группировка и обобщение исходного материала для построения опосредованного теоретического знания. К нему относят такие методы, как:
На эмпирическом уровне познания складываются основные формы знания — научный факт и закон. Закон — высшая цель эмпирического уровня познания — является результатом мыслительной деятельности по обобщению, группировке, систематизации фактов, в которой применяются различные приемы мышления (аналитические и синтетические, индуктивные и дедуктивные и пр.).
Если на эмпирическом уровне познания законы объекта выделяются и констатируются, то на теоретическом уровне они объясняются.
К теоретическому уровню относятся все те формы, методы и способы организации знания, которые характеризуются той или иной степенью опосредованности и обеспечивают создание, построение и разработку научной теории.
На этом уровне используются:
Теория — это высшая форма познания и позволяет получать знание об объекте, не вступая с ним в непосредственный чувственный контакт.
Создание теории является высшей и конечной целью фундаментальной науки.
Методологические установки познания. Выполняют функцию регулятивной основы познавательной деятельности, направляют, ориентируют, контролируют построение эмпирических обобщений и теоретических схем.
Методологические установки соединяют познавательный и ценностный аспекты познания. Каждая наука включается в систему культуры в целом. Так естественная наука, методологические установки которой в данную историческую эпоху являются типичными и определяющими для всех остальных естественных наук, становится лидером естествознания.
Методологические установки связаны с понятием «научная картина мира».
Научная картина мира — это целостная система представлений об общих свойствах и закономерностях природы, возникающая в результате обобщения и синтеза основных, естественнонаучных понятий, принципов, методологических установок. Различают общенаучную картину мира, картины мира наук, близких по предмету исследования (например, естественнонаучная картина мира), картины мира отдельных наук (физическая, астрономическая, биологическая и др.).
В структуре научной картины мира выделяют два компонента:
Научная картина мира строится на основе определенной доказанной и обоснованной фундаментальной научной теории, отражая при этом объект, а не процесс получения знаний. Научная теория же содержит и знания об объекте, и логические средства проверки их истинности.
Способы познания. Способ познания — это исторически определенная и целостная система (эмпирических и теоретических) средств исследовательской деятельности, призванная отражать содержание определенного целостного «среза» объективной реальности (предмета, объекта познания). Основные компоненты способа познания:
Основанием способа познания выступают принципы фундаментальной теории в единстве с методологическими установками познания.
Тема 2. Исторические этапы развития естествознания
История Е. неразрывно связана с историей всего общества, и каждому типу и уровню развития производительных сил, техники отвечает своеобразный период в истории Е. Как самостоятельное, систематическое исследование природы Е. возникло во 2-й половине 15 в.; более ранние периоды естественнонаучных знаний можно рассматривать как зачаточные.
Первый подготовительный — натурфилософский (зарождение элементов будущего Е.) — характерен для древности.
Накопление донаучных рациональных знаний о природе началось еще в первобытную эпоху.
Сознание человека эпохи первобытной родовой общины, было двухуровневым:
1) уровень обыденного, повседневного, стихийно накапливающегося знания;
2) уровень мифотворчества (мифологии) как некоторой «дотеоретической» формы систематизации обыденного, повседневного знания.
Первобытное обыденное, повседневное сознание включало конкретные знания о той среде, в которой человек жил, боролся за свое существование, совершенствовал (хотя и медленно) орудия труда.
Первобытный человек тонко знал окружающую его местность. В практической повседневной деятельности человек постепенно накапливал разнообразные знания не только о географической местности, но и о животных, растениях, о самом себе (хорошо различали большое число видов животных, были знакомы с их анатомией) – в ходе охоты, разделки туш, выделки шкур.
Первобытный человек хорошо ориентировался в свойствах растений, особенно лечебных и токсических (на основе векового опыта народов были накоплены достаточно точные и обширные медицинские знания).
Возникло понятие счета на основе образной памяти, в связи с потребностями общества – пересчитать количество скота в стаде из нескольких сотен голов распределение внутри общины добычи, межобщинный обмен.
В единстве с биологическим и математическим знанием зарождалось астрономическое познание. Появилась традиция наблюдения за небесными явлениями, порожденная практикой сезонных промыслов. Среди множества разнообразных систем счисления в итоге преимущественно закрепляется десятеричная система - 10 лунных месяцев беременности, что для эпохи матриархата было очень важным природным ритмом; 10 пальцев рук как главного естественного орудия труда, связывающего предмет труда и цели деятельности человека, и др.
Т.о., в системе сознания первобытной родовой общины на уровне повседневного стихийно-эмпирического знания был накоплен значительный массив первичных сведений о мире, сложились важные исходные абстракции (и среди них - абстракция количества), разработаны системы счета, календари, зафиксированы простейшие биологические, астрономические, медицинские и другие закономерности.
Мифологическая картина мира. Мифология – это «дотеоретический» способ обобщения, систематизации стихийно-эмпирических, обыденных знаний.
Миф – это способ обобщения мира в форме наглядных образов, совокупность которых выражала мифологическую картину мира. Вся система мифологического объяснения построена на убеждении в реальности мифа, событий мифологического времени и пространства.
В мифе выделение черт предмета определяется не его объективными характеристиками, а субъективной позицией хранителя мифа (шамана, колдуна и др.), в русле его индивидуальных ассоциаций. Способ обобщения строится на основе подражания увиденному. Главным средством обобщения выступают умозаключения по аналогии, не разделяющие закономерные и случайные черты предмета.
Магия. Первобытное сознание теснейшим образом связано с обрядом, ритуалом и магией. Магия — важная составная часть духовной культуры первобытного общества. Магия — это попытка воздействия на мир (на природу, на человека, богов-духов) с помощью определенных ритуальных действий, обряда. Магия выступила формой связи мифа и действия. Магический обряд, ритуал — это репетиция действия.
Магическое сознание опиралось на две предпосылки: подобное производит подобное; вещи, когда-либо бывшие в соприкосновении друг с другом, продолжают взаимодействовать и после того, как контакт между ними прекратился. Из первой предпосылки делался вывод, что можно произвести любое желаемое действие путем простого подражания ему. Из второй предпосылки – все то, что проделывается с предметом, окажет воздействие на людей, которые однажды с этим предметом были в соприкосновении.
С разложением первобытнообщинного строя магия не исчезла полностью. Она стала основой для возникновения различных ритуализированных действий. Значительный магический компонент есть в любой религии. Магия послужила также одним из источников средневековой алхимии. В эпоху Возрождения магия оказала определенное воздействие на генезис классического естествознания. Впоследствии пути магии и науки расходятся окончательно.
Образ жизни первобытных родовых коллективов подчинялся общей линии мифологического сюжета о связи Хаоса и Космоса.
Мифологические образы периодического вмешательства хаотических сил в космическую организацию со временем перешли в систему представлений о мировых циклах и составили основу раннефилософского учения.
Появилось понятие мировой катастрофы – переход от одного космического цикла к другому; формируются основные категории: «даль», «бесконечность», «ничто», «бытие», «сущее», «несущее» и др.
Возникновение таких абстракций (понятий, категорий) явилось одной из важнейших предпосылок становления естествознания;
Это стало возможным в процессе разрешения противоречий в системе сознания:
В результате этих преобразований складывались и предпосылки становления естествознания:
а) географические знания
Рост населения, его динамизм образа жизни, укрепление племенных союзов, развитие военного дела, политический и военный экспансионизм, развитие обмена, торговли — способствовали расширению географического кругозора человека.
Наряду с освоением новых пространств, развитием представлений о границах населенной части планеты (ойкумены) совершенствовались формы картографии, создавались карты - схемы местности, способы ориентации по звездам.
б) биохимические и медицинские и знания
Становление производящего хозяйства (земледелия и скотоводства) стимулировало развитие биологических знаний. Накапливался и обогащался опыт одомашнивания животных и растений, использования искусственного отбора (селекции).
В это время как самостоятельная отрасль знаний и практических навыков появляется медицина.
Человек впервые сталкивается с проблемой смысла своего существования, поэтому поддержание жизни человека, его работоспособности приобретает особую ценность, значимость.
Развивается древнейшая традиция лечебного применения средств растительного происхождения и средств минерального и животного происхождения. Появляются приемы санитарии и гигиены, физиотерапевтические процедуры, массаж, иглотерапия, диетика, разрабатываются новые хирургические приемы и соответственно металлические хирургические инструменты (скальпель, щипцы и др.).
Но в первобытной медицине наряду с рациональными знаниями еще много наивного.
Поэтому наряду с народной медициной, лекарями — знатоками лекарственных трав, простейшей хирургии складывается и другой тип врачевателей — знахари-заклинатели, опиравшиеся на мифологические и магические процедуры.
Накопление химических знаний осуществлялось в области ремесленной прикладной химии. Основные виды такой деятельности:
Широкое распространение получила обработка и подделка драгоценных камней. Кроме меди и железа древние знали такие металлы, как золото, свинец, олово, ртуть и их сплавы (из свинца отливали культовые фигуры, украшения, статуэтки).
в) астрономические знания
Развитие астрономических знаний определялось потребностями совершенствования счета времени.
Переход от лунного календаря к солнечному стал возможным при отделении наблюдений за интервалами времени от их привязки к биологическим ритмам (связанным с человеком и домашними животными), и выделении некоторых вне биологических природных «систем отсчета» для измерения интервалов времени.
Созданы первые теории движения Луны и планет. Эти теории не требовали тригонометрических расчетов и носили линейный характер.
Теория движения Луны позволяла предсказывать:
Развитие астрономических знаний переплеталось с целями и задачами астрологии,
Астрология — уходящая своими корнями в магию деятельность, состоящая в предсказании будущего (судеб людей, событий разного рода) по поведению, расположению небесных тел (звезд, планет и др.).
Астрология строилась на религиозном убеждении, что небесные тела – всесильные божества и оказывают решающее влияние на судьбы людей и народов. Основа астрологии – представление о всеобщей причинной связи вещей и их повторяемости — всякий раз, когда на небе будет наблюдаться одно и то же событие, на Земле последуют одни и те же следствия.
г) математические знания
Развитие математических знаний шло благодаря развитию земледелия, строительного дела, гончарного производства.
Основная особенность и исторический недостаток древневосточной математики — ее алгоритмический характер. Математики Древнего Востока даже не пытались доказывать истинность тех вычислительных формул, которые они использовали для решения конкретных практических задач. Потому и обучение математике состояло в механическом заучивании способов решения типовых задач. Вместе с тем у древних вавилонян уже складывались отдельные предпосылки становления математического доказательства. Они состояли в процедуре сведения сложных математических задач к простым (типовым) задачам, а также в таком подборе задач, который позволял осуществлять проверку правильности решения.
Математические знания развивались в следующих направлениях:
Греческая наука была умозрительным исследованием (само слово теория в переводе с греческого означает умозрение), мало связанным с практическими задачами. В этом Древняя Греция и не нуждалась, поскольку все тяжелые работы выполняли рабы. Ориентация на практическое использование научных результатов считалась не только излишней, но даже неприличной, и такая наука признавалась низменной.
Античная натурфилософия
Незнание природы – великая неблагодарность.
Одним из выдающихся достижений античной цивилизации стала натурфилософия (философия природы, целостное учение об окружающем мире) – первая историческая форма научного знания.
Древнейшая, известная нам, научная школа, еще являвшая собой смесь математики, астрономии, философии, магии и мифологии была основана в конце VI в. до н.э. мудрецом Пифагором в Кротоне (Италия). Пифагорейский союз просуществовал более 150 лет и дал огромный толчок не только науке, но и политической жизни.
Пифагор (около 540-500 до н.э.) – математик и геометр, философ, целитель.
«Все есть число» - утверждал Пифагор, считая, что мир можно познать с помощью «божественной» математической логики. И не только познать, а даже овладеть тайнами реинкарнации – переселения душ. Несмотря на мистическую оболочку, на счету у Пифагора доказательства положений египетской и вавилонской математики (включая знаменитую теорему), теория пропорций, теория музыкальной гармонии, теория чисел. Важным было заключение, что за качественным разнообразием вещей стоит их количественное единство. В области астрономии пифагорейцы научились различать на небе 5 планет, первыми высказали идеи шарообразности Земли и центрального положения Солнца в нашей планетной системе. После смерти Пифагора его ученики открыли несоизмеримость диагонали и стороны квадрата, равной единице (√2), что повергло их в шок, ибо разрушало ставшую для них привычной теорию числовой гармонии мира.
Объявленное пифагорейцами основой мира Число было нематериальным. Возник извечный спор о приоритете материи либо идеи в мироустройстве. С той поры идет с переменным успехом непримиримая борьба материалистов и идеалистов. В Элладе их философские программы можно условно назвать «атомистической» и «математической». Математические, идеалистические взгляды Пифагора оказали огромное влияние на его последователя – Платона.
Платон (428-348 до н.э.) – выдающийся древнегреческий ученый, считавший, что все компоненты Вселенной упорядочил Бог. Материя была для Платона лишь проекцией мира идей, все чувственные предметы – порождениями определенных идей, их тенями. Что же касается материальных тел, в том числе и живых, то по Платону они сочетают в себе в разных пропорциях четыре компонента: огонь, воду, землю и воздух.
Большое значение Платон придавал математике, с помощью которой можно было приблизиться к пониманию идеального нематериального мира.
Академия, созданная Платоном, просуществовала почти тысячелетие. Среди учеников Платона наибольшую славу приобрел Аристотель.
Аристотель (384-322 до н.э.) – величайший древнегреческий ученый, философ. Его ум позволял ему даже не соглашаться с учителем по многим вопросом, произнося «Платон мне друг, но истина дороже!». В первую очередь это касалось невозможности отрыва идеи от реальной вещи. Мир един – утверждал он. Любая вещь состоит из материи (пассивное начало) и формы (активное начало). Форма форм – Бог, движущее начало мира. Неопределенная хаотичная субстанция – первоматерия – приобретает свойства благодаря простейшим формам-антагонистам – теплому, сухому, холодному и влажному. Парное сочетание этих форм дает четыре стихии-первоэлемента – огонь (Т+С), воздух (Т+В), воду (Х+В) и землю (Х+С).
В «надлунном» космическом мире властвует пятая, неизменная и непревращаемая стихия – эфир (ибо «природа не терпит пустоты», что противоречило атомистической модели). Заложил Аристотель и начала механики, а так же придумал первую в истории систематику животных, исследуя их анатомию и морфологию.
Теофраст (372-287 до н.э.) – ученик Аристотеля. Главной его заслугой была систематизация в 18 томах всей античной философии от Фалеса до Платона. Кроме того, он и сам создал ряд трудов по биологии, минералогии, физике, психологии, философии. Наиболее значительны его ботанические работы, в которых он классифицировал и систематизировал известный ему растительный мир по морфологическим, географическим и медицинским свойствам. Теофраст вместе с Аристотелем могут считаться одними из первых ученых-ботаников.
Теперь рассмотрим атомистическую программу.
Подавляющее большинство античных стихийных материалистов придерживались гилозоизма (от «гиле» – материя и «зое» – жизнь) – то есть, всей материи присуща способность к ощущению, восприятию.
Фалес (624-546 до н.э.) – древнегреческий философ, математик, астроном, физик, путешественник и купец, один из Семи мудрецов Греции. Сформулировал понятие субстанции или стихии, как основы материального мира. Считал первородной стихией воду, из которой получаются все остальные. Первым начал исследовать электрические явления (он обнаружил, что камень янтарь – «электрон» по-гречески – в результате трения приобретает свойства притягивать легкие тела, а так же изучал свойства магнита). Его мировоззрение сформировались в результате знакомства со знаниями жрецов Египта. Именно благодаря этим знаниям он смог предсказать солнечное затмение 28 мая 585 г. до н.э., умел измерять расстояния до недоступных предметов. Основал в Милете философскую школу. Среди непосредственных учеников Фалеса Милетского наиболее известны Анаксимандр и Анаксимен.
Анаксимандр (около 610-546 до н.э.) был автором философского сочинения «О природе». Первовеществом он считал уже не воду, а «апейрон», породивший воздух и воду. Предками человека считал рыб, что подразумевало эволюцию.
Анаксимен (около 588-525 до н.э.) – древнегреческий философ. Первоначальной стихией называл воздух, являвшийся по его представлениям источником не только всех остальных стихий (разреженный воздух по Анаксимену – огонь и небесные светила, сгустившийся – вода и даже земля), жизни, но и психических, духовных явлений.
Гераклит (554-483 до н.э.), в отличие от предшественников, основой всего сущего считал стихию огня – природа изменчива так же, как изменчив и непостоянен огонь. Гераклит утверждал, что мир существует извечно, не будучи созданным богами или людьми. Его основу составляет умирающий (становящийся водой и землей) и возрождающийся (в виде покидающего воду огненного смерча) огонь. Таким образом, огонь объединяет Вселенную и вечно перетекает из одной формы в другую. Развитие извечно существующего мира, согласно Гераклиту, является результатом непрерывной борьбы противоположных начал. Таким образом, Гераклит обогатил античное научное знание следующими идеями:
- единство и вечность Вселенной;
- закономерность явлений;
- вечное движение;
- единство жизни природы и жизни духа.
Эмпедокл (493-433 до н.э.) – развил учение Гераклита о единстве и борьбе противоположностей. Все многообразие мира он считал порождением взаимодействия через любовь и вражду четырех стихий: огня, эфира (воздуха), воды и земли. Важной следует считать и догадку Эмпедокла об эволюции живых существ – отдельно возникшие органы случайно соединяются и выживают существа наиболее гармонично сложившиеся. Эмпедокл так же интересовался медициной, был активным политиком.
Анаксагор (500-428 до н.э.) не только ученым, но и видный государственный деятель. Представлял движущей силой Вселенной ум – некую тончайшую материальную субстанцию. Каждая из частиц материи могла делиться до бесконечности. Это был первый шаг к знанию о структурной организованности мира и атомистическим представлениям, развитых в виде атомистического материализма Левкиппом и Демокритом.
Левкипп (около 500-440 до н.э.) – ученик Зенона Элейского, выдвинул идею атомного строения материи. Некоторые считают, что труды писались им в соавторстве с учеником – Демокритом из Абдер во Фракии.
Демокрит (460-370 гг. до н.э.) считал, что в основе материального мира лежат мельчайшие неделимые, подвижные, различные по форме (но строго геометрически совершенные) частицы – атомы. Благодаря их разнообразию и сложным сочетаниям достигается все многообразие мира. Вторым первоначалом мира считалась пустота.
Эпикур (около 341-271 до н.э.) – автор трактата «О природе», в 306 г. до н.э. основал в Афинах не уступавшую Академии Платона философскую школу «Сад Эпикура», где обучал своей системе философии. В качестве учеников допускались женщины и даже рабы. Философию Эпикур подразделял на три направления – физику, изучавшую природу, канонику, занимавшуюся законами познания, и этику, связанную с поведением, взаимоотношениями людей и поиском смысла жизни и счастья. Знание законов природы, по его мнению, освобождает от суеверий, страха смерти и всякого рода религий.
Тит Лукреций Кар (96-55 до н.э.) – римский поэт и философ, написал поэму «О природе вещей», в которой он пропагандировал и развивал идеи Демокрита и Эпикура. Лукреций выделил несколько эпох становления человечества, впоследствии названных каменным, бронзовым и железным веками. Красочно описаны в поэме и разнообразные природные явления, и их причины. Основные же естественнонаучные положения его произведения таковы:
Вернемся из Древнего Рима в конец IV в. до н.э., к концу эпохи Александра Македонского, создавшего за двенадцать лет невиданную по масштабам империю, ознаменовавшую начало эпохи эллинизма. Развивались торговля, экономика, культура и наука. В дельте Нила был заложен первый в истории мегаполис – город Александрия (к 1 в. до н.э. его население достигло миллиона человек) с храмом муз – Музеем, включавшим обсерваторию, зоологический и ботанический сады, помещения для работы ученых всего мира и библиотеку в 700.000 папирусных свитков. Музей Александрии был прообразом современных академических научных учреждений и академгородков. Александрия прославлена именами множества выдающихся ученых.
Евклид (около 300 до н.э.) – стоял у истоков Александрийской математической школы. Тринадцатитомный труд «Начала» излагал все математические достижения, включая теорию чисел, геометрию на плоскости, стереометрию. «Начала» лежат даже в основе современного школьного курса геометрии.
Эратосфен (276-194 до н.э.) – ученый-энциклопедист, проявил себя в математике, географии, истории, филологии, музыке, философии и астрономии. Первым измерил длину меридиана.
Архимед (287-212 до н.э.) – этот великий ученый, советник царя Гиерона II. Вычислил значение числа π (отношение длины окружности к диаметру), открыл, что сфера занимает 2/3 объема цилиндра того же диаметра, открыл несколько фундаментальных законов геометрии, механики, изобрел архимедов винт, архимедово колесо (для подъема воды), катапульту. Его знание законов рычага позволило ему говорить: «Дайте мне точку опоры и я переверну Землю!» - иначе говоря, большие массы можно было двигать малой силой.
Знаменитый выкрик Архимеда «Эврика!» (Нашел!) связано с открытием способа измерения объема сложных тел, сделанным в ванной (Гиерон поставил Архимеду задачу определить, из чистого ли золота сделана его новая корона).
Клавдий Птолемей (83-161 н.э.) – александрийский географ, математик, музыкант и астроном. Известны его труды «География» и «Альмагест», обосновывавшие сложную геоцентрическую систему мира. Согласно последней, светила движутся по эпициклам, а центры эпициклов – уже по окружности-дифференту вокруг неподвижной Земли. Несмотря на ошибочность, теория Птолемея позволяла весьма точно вычислять движения Солнца, Луны и планет.
В эллинистическую эпоху развивались не только математика и механика. Значительные шаги сделали биология и медицина.
Гиппократ (460-356 до н.э.) – ученый-врач.
Он первым выделил медицину из натурфилософии в качестве самостоятельной науки, считая жизнь процессом взаимодействия четырех жидкостей тела – крови, слизи, и черной и белой желчи. «Лечить надо не болезнь, а больного» - говорил первый медик, имея в виду, что все назначения должны быть индивидуальны для каждого человека.
Клавдий Гален (129-199 н.э.) – написал свыше 250 работ. Главным объектом его исследований была «запретная тема» (вскрывать трупы было запрещено под страхом смерти) – анатомия человека и животных. Созданная Галеном терминология используется до сих пор, велико значение познаний о функциях спинного мозга, верно оцененное лишь в XIX в.
Плиний Старший (23-79 н.э.). Из обширного наследия этого римского администратора и писателя-энциклопедиста, до нас дошла его «Естественная история» в 37 томах, собравшая более 20000 фактов и основанная на собственных наблюдениях, рассказах и данных 400 других авторов.
В первых веках новой эры античная наука стала постепенно приходить в упадок, не будучи востребованной утратившей передовые позиции, дряхлеющей рабовладельческой системой. Сменялись вехи истории. Начиналась эпоха Средневековья.
4.1. Наука Средневековья характеризуется господством схоластики и теологии в Западной Европе и спорадическими открытиями у арабоязычных народов. Наука на Западе стала придатком теологии (астрология, алхимия, магия, кабалистика чисел). Прогресс техники на Западе совершался крайне медленно. Техника почти не нуждалась в систематическом изучении природы, а потому и не оказывала заметного влияния на развитие естественнонаучных знаний. Но и в это время, хотя и замедленно, шло накопление новых фактов, подготовивших переход к следующему периоду.
Средневековое сознание было ориентировано, прежде всего, на межличностные отношения, на эмоциональную сторону жизни. Любая вещь воспринималась с точки зрения ее полезности, без учета ее объективных связей с миром. Точно так же и человек характеризовался не по своим объективным чертам – талант, деловитость, ум и т.д., а через социально-иерархические ценности – власть, авторитет, богатство, престиж. Знание же рассматривалось всего лишь как побочный продукт духовно-религиозной деятельности.
Но, поскольку производство нового знания – историческая необходимость, то и в крайне консервативном средневековом обществе наука продолжала развиваться.
Процесс распада римского государства под влиянием внешних и внутренних сил в V в. нашей эры привел к смене рабовладельческого строя на феодализм. Переход к нему сопровождается глубокими потрясениями в хозяйственной и культурной жизни: замирает торговля, замедляется развитие науки.
На Востоке, в Китае и Индии этот переход произошел раньше, чем на Западе, поэтому эти страны опережали западные страны и в экономическом отношении, и в развитии науки.
В VII веке обширные территории Ближнего и Среднего Востока объединились в Арабский Халифат с единой, централизованной политической системой и растущей экономикой. Это, как и начавшийся между объединенными народами обмен знаниями, стало прекрасной предпосылкой для развития науки. К IX веку на арабский язык были переведены все основные труды античных ученых, знания на Востоке ценились очень высоко. Арабская наука достигла более значительных успехов, чем европейская, поскольку не была столь жестко связана с религиозными воззрениями.
Еще в начале нашей эры арабы заимствовали из Индии и развили десятичную систему счисления. Арабские ученые совершенствовали вычисления уравнений, вычисляли корни, суммировали арифметические прогрессии. Необычайное развитие получили физика и астрономия. Широко применялось на практике понятие удельного веса. Обсуждалась проблема существования пустоты в природе, характер и механизм передачи движения, кинематика применялась при анализе и описании движения небесных тел. Вершиной наблюдательной астрономии стали исследования великого Улугбека. Большинство ученых арабского Востока были универсалами-энциклопедистами.
Аль-Хорезми Мухаммед бен Муса (787-850) – среднеазиатский ученый, написал математический трактат «Книга о восстановлении и противопоставлении», из которого об алгебре узнали уже в XI веке европейские ученые. Кроме математики прославил свое имя трудами по географии и астрономии.
Аль-Фараби Абу Наср ибн Мухаммед (870-950) – один из крупнейших философов и ученых-энциклопедистов арабского Востока. Разработал учение о несотворенности мира и вечности материи. При этом он отрицал бессмертие индивидуальной души. Отстаивал познаваемость мира. В сфере его интересов были религия, космогония, общественное устройство, и даже музыка, которой он посвятил отдельную книгу.
Аль-Бируни Абу Рейхан Мухаммед ибн Ахмед (973-1050) – среднеазиатский ученый-энциклопедист из Хорезма. Бируни первым среди ученых Востока заговорил о гелиоцентрической системе мира, известен трудами по минералогии, географии, истории Индии, физике, медицине.
Абу Али ибн Сина (Авиценна, 980-1037) – великий медик, ученый, философ, музыкант, политик. Был врачом и везирем (первым министром) при разных правителях в Средней Азии и Иране. В своих трактатах «Книга исцеления» и «Книга указаний и наставлений» изложил свои философские, естественнонаучные и музыкальные воззрения. Кроме прочего, сформулировал в своих трудах физическую теорию импетуса на триста лет раньше француза Жана Буридана. Настоящей медицинской энциклопедией стал «Канон врачебной науки» в пяти частях, собравший воедино врачебные знания античности, индийских и среднеазиатских ученых, и использовавшийся сотни лет медиками Европы и Азии. Многие положения «Канона» до сих пор не утратили своего практического значения.
Аль Бируни (973 - 1048) производил точные определения плотностей металлов и других веществ с помощью "конического прибора", который он сам сконструировал. По его измерениям плотность золота равнялась 19,5, а ртути - 13,6.
Бируни производил точные астрономические и географические измерения. Он определил угол наклона эклиптики к экватору и установил его вековые изменения. Для 1020 г. его измерения дали значение 23°34'0". Он точно так же определил радиус Земли.
Бируни также считал уязвимой геоцентрическую систему мира и высказал мысль о движении Земли вокруг Солнца.
В то время, как Бируни размышлял о гелиоцентрической системе мира, переводил труды Птолемея, в Европе господствовали представления о Земле, как о плоской лепешке, накрытой хрустальным колпаком и опоясанной океаном.
Омар Хайям (1048-1132 или 1123) – уже в 25 лет создал наиболее значительное произведение в области алгебры – «Трактат о доказательствах», посвященный в основном решению кубических уравнений. Вёл математические изыскания не только в области, алгебры, но и в области геометрии. Хайям был не только математиком, но и выдающимся физиком, минералогом, философом, астрономом, астрологом, метеорологом, врачом и, наконец, великим поэтом, создавшим бессмертные «Рубайи».
Ибн Рушд (1126-1198) – философ, судья и придворный врач, живший в Андалусии и Марокко. Интерпретировал труды Аристотеля в духе материализма и пантеизма (божественности природы), считал мир вечным, но расположенном в конечном пространстве. Методологически он отделял философский (научный) путь познания, от теологического, говоря, что природа независима от Аллаха, не влияющего на частности мирового процесса. Этим он опровергал популярного мусульманского теолога, философа и мистика Мухаммеда аль-Газали (1058-1111). Научный (логико-доказательный) путь и религиозный (чувственно-эмоциональный) объединяла «Теория двух истин».
Улугбек Мирза Мухаммед ибн Шахрух ибн Тимур (1411-1449) – любимый внук создателя империи, завоевателя и жестокого властителя Тимура (Тамерлана). Создал «Новые астрономические таблицы» с основными положениями астрономии и каталогом 1018 звезд, планетными таблицами. Результатами наблюдений и вычислений Улугбека в течение столетий пользовались европейские ученые. Астрономическая обсерватория Улугбека в Самарканде – один из выдающихся культурных памятников мира. Поныне сохранилась часть гигантского двойного квадранта – крупнейшего угломерного прибора того времени, вообще же это была совершеннейшая в мире для своего времени и наиболее оснащенная астролябиями, армиллярными сферами, азимутальным кругом обсерватория.
Аль-Хорезми (ок. 780 - 850) был автором арифметики и трактата по алгебре. В его алгебраическом трактате решаются линейные и квадратные уравнения. Европейцы познакомились из его арифметики с индийской позиционной системой чисел и употреблением нуля, арабскими цифрами, арифметическими действиями с целыми числами и дробями. Труды Аристотеля и Птолемея пришли в Европу в арабских переводах.
Все, что видим мы – видимость только одна
Далеко от поверхности мира до дна
Полагай несущественным явное в мире,
Ибо тайная сущность вещей – не видна.
Омар Хайям
Новым словом в истории образования Средневековья стали университеты. Возникновение таких светских учебных заведений стало возможным только в эпоху развитого средневековья, когда, благодаря успехам агрономии и ряду изобретений возросло сельскохозяйственное производство (трехпольная система, колесный плуг), расширились ремесло и торговля, начали поощряться облегчающее физический труд изобретательство (кривошип, маховик) и инженерное дело. В каждом из них было четыре факультета: подготовительный или философский (факультет свободных искусств, где обучали основам грамматике, риторике, диалектике, математике, астрономии и музыке), медицинский, юридический и высший, но непопулярный – теологический.
В средневековой науке сформировалось три традиции познания:
- Схоластическая традиция, опирающаяся на простейшую логику, предание и умозрение, и ставившую основным вопросом соответствие реального бытия понятиям разума. В основу традиции легли принципы античного платонизма, истолкованные в духе христианства. Главные ее достижения лежат в областях теологии и космологии, в которых предмет познания реально не представлен и разум остается единственным средством анализа предмета на основе умозаключений.
Представители:
Вильям Оккам (1285-1349) – английский философ-схоласт, автор трудов «Распорядок», «Свод всей логики», «Об истолковании». В своих трудах подчеркивал значение научного знания. Особо известно в современном естествознании правило «бритвы Оккама», звучащее так: «не умножай число сущностей сверх необходимого». Иначе говоря, несводимые к опытному и интуитивному знанию понятия должны удаляться из науки. В 1327 году Оккам был отлучен папой римским от католической церкви за противостояние учению Фомы Аквинского.
Жан Буридан (около 1300-1358) – французский философ, распространитель идей Оккама. Один из создателей теории «импетуса», связавшей динамику Аристотеля с динамикой Галилея. Теория эта утверждала, что в падающем теле благодаря тяжести накапливается импетус (поэтому скорость при падении возрастает), в процессе движения импетус расходуется на преодоление трения, исчерпав импетус, тело останавливается. Теория импетуса способствовала развитию физических понятий инерции и силы. Известен Буридан и парадоксом детерминизма воли, названным так же «Буридановым ослом» – осел, помещенный на равном расстоянии от двух одинаковых связок сена, должен околеть от голода, будучи неспособным сделать выбор в пользу одной из них.
Фома Аквинский (1225-1274) – монах-доминиканец из Италии, создатель томизма – философской основы католицизма. Им были сформулированы пять логических доказательств существования Бога. Он рассматривал мир, как иерархическую систему, на нижней ступени которой находится природа, материальный мир, а на высшей – Божественный дух, творящий все сущее. В своих сочинениях «Сумма теологии», «Сумма против язычества» утверждал, что природа завершается в благодати, разум в вере, познание – в сверхъестественном откровении. Считал вредной любую науку, которая не направлена на познание Бога. Он сочетал в своем творчестве и исследованиях схоластическое и герметическое направление, будучи философом-схоластом (и даже систематизатором схоластики) и алхимиком.
- Герметическая традиция (от имени легендарной «полубожественной» личности из Египта первых веков н.э. Гермеса Трисмегиста), опирающаяся на ритуал, магию, рецептурно-манипуляторное и предметно-преобразовательное начала, сверхъестественные силы. Самые яркие воплощения герметизма – средневековые алхимия, астрология, медицина.
Алхимия – одно из наиболее известных направлений герметизма. Она занималась поисками философского камня и иных способов «превращения» неблагородных металлов в золото или серебро, эликсира бессмертия, алкагеста (универсального растворителя). Алхимики в процессе проводимых ими исследований попутно решали многие практически важные задачи: ими были получены сведения о многих процессах и открыты различные методы производства продуктов, пользовавшихся большим спросом. Именно алхимики заложили фундамент для создания химии.
В ходе поиска философского камня углублялись и расширялись знания о химических процессах. В период правления римского императора Диоклетиана алхимия впервые была запрещена, а труды алхимиков сожжены, так как властитель боялся, что дешевое золото подорвет уже шаткую экономику империи. Следующий этап развития алхимии – раннее и развитое средневековье (VII–XIII вв.).
Представители:
Джабир ибн Хайям (721-815) – прославившийся в Европе под именем Гебер наиболее известен среди раннесредневековых арабских алхимиков. Он описал нашатырь, способ перегонки уксуса для получения уксусной кислоты, технологию получения свинцовых белил. Но главной его целью была трансмутация металлов. По мнению Гебера, жидкая ртуть, была наиболее чистым металлом. Другой необычный элемент – сера, способная самовоспламеняться. Семь основных металлов, по Геберу, представляли собой смесь ртути и серы: чем меньше серы, тем они более прочны, блестящи и ковки. Для превращения одного металла в другой необходимо иметь некое вещество – эликсир или философский камень, обладающий целым набором чудесных свойств: исцелять от всех болезней, давать бессмертие, превращать неблагородные металлы в серебро и золото.
Во время эпохи крестовых походов европейцы заимствовали у арабов многие научно-практические знания, включая алхимию. Самым важным достижением европейской алхимии было открытие серной и азотной минеральных кислот, с помощью которых удалось осуществить многие новые реакции, растворить вещества, считавшиеся нерастворимыми (даже золото в «царской водке»). Европейские химики ввели в качестве третьей части металлов (наряду с серой и ртутью) соль, считая, что соли придают ртути свойство затвердевать и противостоять огню. Особой заслугой западноевропейских алхимиков следует назвать изучение продуктов брожения: вина и уксуса. В результате именно в Западной Европе научились получать чистый спирт путем перегонки крепких вин и водки. В 1317 году папа Иоанн XXII, подобно Диоклетиану предал алхимию анафеме, как сатанинское искушение, но это не помогло – она продолжала развиваться. Таким образом, были подготовлены условия для исследования химических соединений, их применения в медицине и практической науке. Поскольку герметизм был тайным, а часто и запретным учением, имена герметистов малоизвестны. Впрочем, одно такое имя рубежа эпох Средневековья и Ренессанса в последующие времена упоминается весьма часто.
Нострадамус (1503-1566) – Мишель Нотрдам. Легендарный врач, астролог и лейб-медик при дворе французского короля Карла IX. Всемирную известность получили его стихотворные произведения «Центурии» (Столетия) и «Знамения», в которых в характерной для герметизма иносказательной форме была предсказана история Европы и человеческой цивилизации в целом. Точность предсказаний и дешифровка стихотворных катренов Нострадамуса по сей день вызывает бурные дискуссии не только среди магов и астрологов, но и среди ряда академических ученых.
- Опытно-эмпирическая традиция, в которой критерием истинности и точкой отсчета был личный опыт. Эта традиция развивалась под влиянием античных естественнонаучных идей Аристотеля. Представители этой традиции видели в научном знании средство расширения практического могущества, улучшения реальной жизни людей.
Несомненной заслугой схоластов было то, что в их трактатах предвосхищались идеи математической логики.
Представители:
Гроссетест Роберт (1175-1253) – профессор Оксфордского университета, а затем епископ Линкольнский. Он одним из первых в средневековой науке уделил внимание естествознанию. Наряду с богословскими сочинениями и комментариями к трудам Аристотеля, Гроссетест написал ряд трактатов по математике, оптике, астрономии, о природе звуковых колебаний и морских приливов и отливов. Важны и интересны его методологические разработки. По его мнению, изучение явлений должно начинаться с опыта, затем в результате его анализа происходит обобщение, приводящее к созданию некоего общего положения – гипотезы. Ее следствия, полученные методом дедукции, вновь подвергаются опытной проверке уже на новом уровне.
Бэкон Роджер (1214-1294) – магистр Оксфордского университета, ученик и близкий друг Р. Гроссетеста, философ и естествоиспытатель. Из трех источников познания (авторитет, разум и опыт) Бэкон отвергал авторитет, считая его недостаточным без доводов разума. Разум же в может отличить истинное от ложного лишь базируясь на опыте. Таким образом, опыт – основа науки. Следуя этому постулату, Р. Бэкон стремился к практическому применению знаний. Он предвидел создание в будущем быстроходного судна без гребцов (с мощным двигателем), самодвижущейся повозки, летательных машин. Изучая законы оптики, Бэкон предсказал изобретение очков, телескопа и микроскопа. Первым из европейцев Бэкон составил рецепт пороха.
Роль эпохи средневековья в истории естествознания состоит в умножении связей чувственных образов. Чтобы перейти от них к научному знанию, необходимо было научиться отбирать из этого множества связей те, которые носят существенный, рациональный характер. Такой качественный переход в сознательной деятельности и несла эпоха Ренессанса – Возрождения.
4.2.
Ничто великое в мире не совершается без страсти!
Галилео Галилей
Пришедшая на смену средневековью эпоха Ренессанса (Возрождения) принципиально отличалась от него. Это время краха феодализма и становления капиталистического общества; время жестоких религиозных войн и жестких социальных конфликтов, время сложения абсолютистских монархий и становления буржуазного индивидуализма, приходящего на смену феодальной сословной иерархии; время зарождения книгопечатания и возрождения античной культуры на новом витке диалектической спирали развития. В наступившем времени был преодолен средневековый дуализм сознания и восприятия мира: все связано со всем, а значит все, а не только божественное, достойно быть предметом познания. Не божество, а человек – мерило всего сущего.
Множество достижений было связано с областями биологии и химии, освобождавшейся от пут герметизма. Велась огромная работа по описанию многообразия животного и растительного мира. Развивались морфология и анатомия, расширявшая сведения о внутреннем строении различных организмов. Большое внимание стали уделять человеку и способам исцеления его от недугов.
Парацельс (1493-1541) он же – Филипп Ауреол Теофраст Бомбаст фон Гоненгейм –изучал медицину и химию, путешествуя по Франции, Италии и Германии. Он исходил из того, что медицина покоится на четырех столпах: философии, астрологии, химии и добродетели. Парацельс основал натрохимию, приписывая определенным соединениям способность устранять нарушения равновесия в организме. Он верил, что коль тело человека состоит из веществ, то происходящие в них изменения и вызывают болезни, которые можно излечить, лишь применяя лекарства, восстанавливающие химическое равновесие. В химических изысканиях Парацельс заимствовал из алхимии учение о триаде ртуть-сера-соль, отражающей основные свойства материи: летучесть-горючесть-твердость. Эта триада составляет основу макрокосма (Вселенной), но относится и к микрокосму (человеку), состоящему из духа, души и тела. Парацельс утверждал, что лихорадка и чума происходят от избытка в организме серы, параличи от избытка ртути, а избыток соли может вызвать расстройства желудка и водянку.. Парацельс активно боролся с догматической наукой, и иногда не совсем привычными методами: публично сжег в Иванов день учебник медицины, основанный на устаревших античных представлениях, преподавал медицину в университете Базеля на немецком, а не на традиционной латыни. Натрохимия оказала химии большую услугу, освободив ее от влияния замешанной на магии алхимии и расширив знания о жизненно важных соединениях (тем самым благотворно повлияв и на фармацию).
Антони ван Левенгук (1632-1723) – нидерландский натуралист – изобрел микроскоп– несмотря на использование всего одной линзы, он позволял получать увеличения в сотни раз! С помощью нового инструмента были открыты микроорганизмы, сперматозоиды и тонкости строения – волоса, ножки пчелы и многое другое.
Леонардо да Винчи (1452-1519) – гениальный ученый-энциклопедист, достигший больших познаний в области геологии, ботаники, анатомии, механики, оптики. Известно свыше 7000 листов с его записями научного и философского характера. Поскольку он считал основой познания опыт, то уделял много внимания практическому применению науки. Среди его изобретений танк, парашют и вертолет. В биологии он изучал связь нервной системы и мускулатуры, открыл щитовидную железу. Знание анатомии и пропорций было необходимо да Винчи и для правильного изображения человеческого тела. Он досконально изучил связь эмоционального состояния и поведения, отражения эмоций в жизни тела, в мимике. Его учение о пропорциях стало основой современной антропометрии.
Френсис Бэкон (1561-1626) – был не только ученым-естествоиспытателем и философом, но и ярким политиком, и удачливым придворным. В трактате «Новый Органон» он провозгласил целью науки подчинение природы интересам человека. При этом философ писал: «Природу легче подчинить, повинуясь ей». Иными словами, для управления природой необходимо хорошее знание ее законов. В познании, основанном на индукции, главным методом Бэкон считал эксперимент: “Природа, если ее раздражить и потревожить с помощью искусства, раскрывается яснее, чем, когда ее предоставляют самой себе».
Но главная научная революция состоялась не в области медицины или биологии, а в космогонии. Неудовлетворенность геоцентрической системой Птолемея с ее заумными эпициклами, проявлялась давно. Космогония по Птолемею давала сбои в юлианском календаре – например дата равноденствия – точка отсчета Пасхи (важного религиозного празднества) сместилась за 1400 лет на 10 дней. Лютеранский собор 1512-1517 гг. призвал астрономов решить календарную проблему. Среди взявшихся за это был польский ученый Коперник, уже усомнившийся в неподвижности Земли и изучавший труды античных философов (в том числе Аристарха Самосского) на эту тем
Николай Коперник (1473-1543) – еще в 1505 году изложил принципиальные основы гелиоцентрической системы в «Малом комментарии». В центре мира он поместил Солнце, вокруг которого движутся планеты, включая Землю с ее спутником – Луной. Всю замкнутую Вселенную окружала сфера неподвижных звезд. Планеты совершали свои движения по совершенным круговым орбитам. Уже в 1582 году на основе системы Коперника был введен новый григорианский календарь, а основные особенности перемещения планет по небосклону (петли, прямое и попятное движение) легко находили свое объяснение. Коперник впервые в истории познания доказал, что сущность явления можно понять лишь после его тщательного изучения, а не в результате схоластического размышления (справедливости ради следует вспомнить, что Коперник был еще и прекрасным врачом, некоторые выписанные им рецепты сохранились до сих пор).
Джордано Бруно (1548-1600) – бывший монах неаполитанского монастыря Святого Доминика, философ, поэт, политический деятель – предложил новую теорию. Коперник уничтожил восприятие Земли, как центра мироздания. Бруно проделал то же самое с Солнцем. Он оставил его в центре лишь одной звездной системы, применив идеи философа Николая Кузанского, утверждавшего, что ни одно тело не может быть центром Вселенной ввиду ее бесконечности. Границы Вселенной раздвинуты до бесконечности, вместо «сферы» - многочисленные солнца, и, более того – многочисленные обитаемые миры. Эти обитаемые и необитаемые миры и звезды объединяла общность элементов. Не подлежала сомнению для Бруно и изменяемость небесных тел. Это доказывало и появление комет, и взрыв сверхновой звезды в 1572 году. Яркие выступления Бруно на диспутах, преподавание в университетах Франции, Чехии, Швейцарии, Германии, Англии, критика нравов стяжательства, процветавших в клерикальных кругах, привели ученого в лапы инквизиции. Он, после жестоких восьмилетних пыток, был сожжен невеждами на площади Цветов в Риме. Бруно говорил: «Невежество – лучшая в мире наука, она дается без труда и не печалит душу». В конце XIX века на месте его трагической гибели был возведен памятник с эпитафией: «От века, который он предвидел…»
Тихо Браге (1546-1601) в 26 лет тоже стал свидетелем уникального явления – вспышки Новой звезды в созвездии Кассиопеи. Это побудило его всерьез заняться астрономией. Король Фредерик II обратил внимание на труды Браге и дал ему во владение остров Вен близ Копенгагена, где была построена обсерватория Ураниборг. В 1600 году у него появился ученик Иоганн Кеплер, уже издавший математическую трактовку совершенного геометрического строения небесных сфер. В наследство ученику остались оскорбления со стороны учителя, его завещание с просьбой опровергнуть Коперника и сундук с бесценными записями наблюдений.
Иоганн Кеплер (1571-1630). В 1609 году вышла в свет его «Новая астрономия», а через десять лет «Гармония мира», в которых ученый сформулировал три закона:
- каждая планета движется по эллипсу, в одном из фокусов которого находится Солнце;
- планеты движутся по своим орбитам с переменной скоростью таким образом, что площади, описываемые радиус-вектором от центра Солнца до планеты за равные промежутки времени, оказываются равными;
- квадраты периодов обращения планет пропорциональны кубам больших полуосей их орбит.
Так родилась небесная механика. Революция в космогонии объясняла физическую суть новых явлений, и потому закономерно переросла в возникновение классической механики.
Галилео Галилей (1564-1637) – главным критерием истинности считал опыт (классическим примером стали его опыты по свободному падению тел, проводившиеся на знаменитой Пизанской башне). Благодаря такой установке ему удалось сформулировать:
- понятие ускорения (скорости изменения скорости), как результата действия силы на тело, разграничить равномерное, неравномерное и ускоренное движения;
- принцип инерции и понятие инерциальных систем (т.е. движущихся прямолинейно и равномерно друг относительно друга);
- принцип относительности (на ускорения тел, явившиеся следствием их силового взаимодействия, относительное движение систем отсчета никакого влияния не оказывает, и никакими механическими опытами невозможно установить, какая из систем движется);
- закон независимости действия сил (принцип суперпозиции).
7 января 1610 года Галилей, изготовил первый в истории телескоп – взглянул на небо вооруженным глазом. Были открыты тайна Млечного пути, состоящего из мириадов звезд, спутники Юпитера, горы на Луне, пятна на Солнце, фазы Венеры, странный вид Сатурна (малое разрешение не позволило опознать кольцо, Галилей принял его за тройную планету). Более того, он за 233 года до открытия, смог наблюдать Нептун, правда, не опознав в нем новую планету. Инквизиция судила его за то, что он поддержал космогонию Коперника, но, несмотря на двух, приставленных к нему монахов и домашний арест, почти ослепнув, он последние 7 лет жизни продолжал заниматься наукой. Через 337 лет католическая церковь, наконец, с неохотой признала свою неправоту в позорном судилище.
Рене Декарт (1596-1650) – французский философ и естествоиспытатель, чаще называвший себя по-латыни Картезиусом, достиг многого в математике (создатель аналитической геометрии), физике (принцип инерции, закон сохранения количества движения, объяснение природы радуги) и даже физиологии (именно он ввел понятие рефлекса). Он был одним из основателей рационализма – учения о разуме, как основе познания и поведения людей. «Мыслю, следовательно, существую» - говорил Картезиус, и отталкиваясь от факта существования собственного «Я», доказывал существование мира. Мир по Декарту – протяженная материя, не имеющее границ однородное пространство. Оно создано Богом, но упорядочено без его участия законами природы, иными словами, современный мир – результат эволюции материи. Предложенная им теория вихрей объясняла вращение Земли и других планет и их орбитальное движение. Однако, объяснить законы Кеплера и ряд других особенностей космогонии, Декарт не смог. Впоследствии Ньютон заявил: «Если я вижу теперь дальше Декарта, то это потому, что стою на плечах гиганта».
Исаак Ньютон (1643-1721) – завершил создание фундамента классического естествознания. Его кредо звучало так: «Гипотез не измышляю». Он описал механические процессы движения и взаимодействия тел на основе созданного им математического языка бесконечно малых. Определив понятия скорости, ускорения, массы и силы, Ньютон сформулировал законы динамики в виде связей между этими величинами, а проанализировав законы движения небесных тел, обнаруженные Кеплером, установил закон всемирного тяготения, введя в науку меру гравитационного взаимодействия тел в нашей Вселенной: сила тяжести обратно пропорционально квадрату расстояния между телами и пропорциональна массе тела, независимо от его формы и иных свойств.
В результате удалось научиться предсказывать солнечные затмения, понять природу морских приливов, объяснить экваториальное сжатие планет, рассчитывать орбиты комет.
Другой стороной научного наследия Ньютона (достижения в области физики, химии, металлургии, математики, геометрии и т.д.) была оптика. После открытия сложного состава белого света, он приступил к исследованию законов преломления монохромных лучей, оказавшихся различными для каждого цвета. Это объяснило дефект линз – хроматическую аберрацию. Чтобы избежать этих искажений, Ньютон построил зеркальный телескоп собственной конструкции – рефлектор. В 1672 году ученый доложил Лондонскому королевскому обществу корпускулярную концепцию света (свет состоит из частичек-корпускул). Чуть позже, в 1676 году датчанин Оле Ремер (1644-1719), на основании наблюдения затмений спутника Юпитера установил, что скорость света конечна и равна 300000 км/сек.
«»Идеи Ньютона неосторожно и неоправданно упрощались его последователями. Так, утвердился принцип дальнодействия – мгновенной передачи действия тяготения через пустоту, хотя, сам Ньютон считал, что для этого необходим некий, пусть и нематериальный агент. Простые законы геометрической оптики с прямолинейными лучами, разработанные Ньютоном, так же требовали дополнительного объяснения. В большинстве случаев его можно было дать, считая свет потоком корпускул. Но в таком случае неясно: как частицы решают, кому отражаться, а кому преломляться, проходя в прозрачное тело? Кроме того, два пересекающихся потока-луча никак не воздействовали друг на друга. Как объяснить разложение белого света в радугу, таинство, так и не объясненное Ньютоном? Может быть свет все-таки волна, распространяющаяся в очень разреженном и упругом эфире? Голландец Христиан Гюйгенс (1629-1695) предложил в 1690 году иную теорию света – волновую (свет есть волна, распространяющаяся в мировом эфире), на которую Ньютон так же обратил внимание, но в итоге посчитал несостоятельной. «»
Ньютон соединил две эпохи – ренессанс и «золотой век просвещения».
5. Особенности естествознания XVIII – XIX вв.
Только две вещи удивляют меня: звездное небо
над моей головой и моральный закон во мне.
И. Кант
Золотой век просвещения – такое название получил период подлинного расцвета классического естествознания, наступившего после ньютонианской революции в физике. Множество открытий и смелых гипотез охватывали области физики, космогонии, биологии и химии, основанные на них изобретения оперативно внедрялись в повседневную жизнь.
Одним из важнейших вопросов в области космогонии стало возникновение Солнечной системы.
Иммануил Кант (1724-1804) и Пьер Симон Лаплас (1749-1827) полагали, что все начиналось с газово-пылевой туманности, которая впоследствии превратилась в звезду, вокруг которой вращались планеты. При этом Кант полагал, что туманность была холодной, затем она стала сжиматься, образовав Солнце, а затем из него, в свою очередь, выделились планеты. Лаплас же считал, что туманность была изначально горячей, сжимаясь, она сформировала кольца, которые впоследствии стали планетами, центральная же часть сжалась еще сильнее и превратилась в Солнце. Проблема обеих гипотез – распределение момента количества движения в Солнечной системе. В Солнечной системе более 98 % полного момента количества движения приходится на орбитальное движение планет, и всего около 2 % - на вращение Солнца, которое, хотя и содержит подавляющую часть массы всей системы, вращается сравнительно медленно. Стало быть, необходимо объяснить, как могло возникнуть такое перераспределение момента количества движения в процессе образования системы звезда-планеты.
Кант не остановился на построении модели Солнечной системы, распространив свои принципы на построение всей Вселенной – иерархической системы галактик. Однако, недостатком теории, была необъяснимость появления вращения у покоящейся первоначально материи – Хаоса, созданного Богом, согласно гипотезе Канта. В то же время Лаплас на вопрос Наполеона о том, какое место занимает Бог в его теории, гордо ответил «Я не нуждаюсь в этой гипотезе!»
Были и сторонники случайного образования планет (Джинс, Шмидт, Литтлтон), которые обсуждали различные варианты близкого прохождения двух звезд или прохождения звезды через облако межзвездной пыли, в результате чего у звезды и могли бы образоваться планеты: либо из части ее вещества, вырвавшегося под действием гравитации второй звезды, либо из облака. Однако, хотя и обоснованная расчетами, эта гипотеза маловероятна поскольку, согласно теории вероятности, лишь у одной из примерно 100000 звезд могла бы быть планетная система. Слишком редко разбросаны светила во Вселенной.
Идея эволюции коснулась не только космогонии, но и других областей знаний. Особое место эпоха просвещения и XIX век заняли в истории биологической науки. Шведский натуралист Карл Линней (1707-1778) созданием бинарной номенклатуры и своей классификацией подвел итог многовековому эмпирическому накоплению биологических знаний. Он же, осознавая искусственность своей систематики, заявил, что возможна и некая система живых организмов по естественному методу, основанная на знании природы. Это подводило естествоиспытателей к идее эволюции. Ботаник Королевского ботанического сада в Париже Жан Батист Пьер Ламарк (1744-1829) впервые предложил развернутую концепцию эволюции органического мира. По его мнению, руководящим в эволюционном процессе был принцип градации (стремления к совершенству), основанный на зависимости развития или атрофии органов под влиянием упражнения и наследовании таких признаков. Иначе все себе представляли сторонники «теории катастроф» - основатель палеонтологии, француз Жорж Кювье (1769-1832), английский зоолог и палеонтолог Ричард Оуэн (1804-1892) и другие. По их мнению, живой мир неоднократно изменялся исключительно в результате глобальных катастроф, стиравших большую часть всего живого с лика Земли. Каждый новый этап, согласно катастрофизму, был более совершенным благодаря внешней творящей божественной силе. Третьим вариантом был униформизм, представители которого Михаил Ломоносов (1711-1765) и Чарльз Лайель (1797-1875) и др.) считали мир плавно меняющимся, но , бессистемно, случайным образом. Нельзя сказать, что все три теории были неверны, но они охватывали лишь частности сложного процесса развития жизни на Земле.
Чарльз Роберт Дарвин (1809-1882), опираясь на результаты наблюдений, накопленных им во время кругосветного путешествия на военном парусном корвете «Бигль» (капитан Р. Фицрой), создал свою теорию естественного отбора. Основная идея книги Дарвина «Происхождение видов», изданной в 1859 г., состоит в применении концепций борьбы за существование и естественного отбора, а так же понятий определенной и неопределенной изменчивости для объяснения возникшего в результате биологической эволюции многообразия живых существ, обитающих на Земле Теория Дарвина и ныне одна из известнейших концепций биологической эволюции.
Впервые на эмпирическом уровне законы генетики были установлены основателем этой науки, биологом и священником Грегором Иоганном Менделем (1822-1884). Он рассматривал не наследуемость всех признаков, но лишь одного избранного. Открытие расщепления признаков показало, что возникающие у организмов рецессивные мутации не исчезают (это было главным возражением антидарвинистов), а сохраняются в популяциях в гетерозиготном состоянии, переходя из поколения в поколение. Открытия Менделя на полвека опередили свое время.
Тем временем у химиков резко возрос интерес к процессу горения. Почему одни предметы горят, а другие нет? Что представляет собой этот процесс? Объяснения пыталась дать теория флогистона-теплорода (греческого флогистос – горючий). Ее основоположником был немецкий врач и химик Георг Шталь (1659-1734). Согласно его теории все горючие вещества богаты особым веществом – флогистоном. Чем больше флогистона в теле, тем лучше оно горит. То, что остается после горения, флогистона не содержит и потому гореть не может. Металлы, по мнению Шталя, тоже содержат флогистон, а теряя его, превращаются в известь, ржавчину и окалину. Если к этим остаткам опять добавить флогистон, можно опять получить металлы. Теория флогистона быстро стала популярной и была повсеместно принята, так как дала четкие ответы на многочисленные вопросы. Но один вопрос эта теория решить не могла: большинство горючих веществ при горении в значительной степени исчезало, зола и сажа были легче, чем исходное вещество.
Антуан-Лоран Лавуазье (1743-1794) в опытах по нагреванию различных веществ в закрытых сосудах установил, что независимо от характера химических процессов и их продуктов, общий вес всех участвующих в реакции веществ не меняется: масса не создается и не уничтожается, а лишь переходит от одного вещества к другому (закон сохранения массы). Встала задача: почему при соединении воздуха с металлом образуется окалина, а при соединении с деревом – газы, и почему при этих взаимодействиях участвовал не весь воздух, а лишь пятая его часть? При ее решении Лавуазье пришел к выводу, что воздух не простое вещество, а смесь двух газов, 1/5 которой составляет газ, который и соединяется с горящими и ржавеющими предметами, переходит из руды в уголь и необходим для жизни. Лавуазье назвал этот газ кислородом (порождающим кислоты), так как ошибочно думал, что это компонент всех кислот. Второй газ не поддерживает горения, и был назван азотом – безжизненным.
Важную роль в этих исследованиях сыграли опыты английского физика Генри Кавендиша (1731-1810), доказавшего, что образующиеся при горении газы конденсируются в воду, а значит вода не простое вещество, а соединение двух газов. Лавуазье назвал один газ водородом (он при горении соединяется с кислородом, образуя воду). Теории Лавуазье привели к рационализации химии и покончили с таинственными гипотетическими элементами.
Джон Дальтон (1766-1844) – английский физик и химик – исходя из корпускулярного строения материи и понятия химического элемента по Лавуазье, сделал вывод, что все атомы каждого химического элемента одинаковы и обладают определенным весом. Следовательно, каждый элемент обладает своим относительным атомным весом. В качестве условной единицы атомного веса он принял атомный вес водорода и сопоставил с ним другие элементы, составив первую таблицу атомных весов
Йенс Якоб Берцелиус (1779-1848) – шведский химик, открывший закон постоянства состава молекулы вещества, ввел деление веществ на два вида. Вещества неживой природы (неорганические) могли выдерживать жесткую обработку, а вещества живой или некогда живой материи (органические) такой обработки не выдерживали. Во многих проявлениях эти две группы веществ вели себя принципиально различным образом: так, органические вещества при нагревании или другом воздействии легко превращаются в неорганические.
До середины XIX в. химия развивалась хаотически: химики открывали новые химические элементы, описывали их свойства, и так накопили огромный эмпирический материал, нуждавшийся в систематизации. Логическим финалом этого процесса стал I Международный химический конгресс (1860, Карслуэ, Германия), на котором окончательно сформулировали и приняли основополагающие принципы, теории и законы химии. С этого момента начался современный период развития химии, в начале которого были разработаны теории валентности, ароматических соединений, стереохимии, электролитической диссоциации Сванте Аррениуса и др. Главным же стало открытие периодического закона.
Дмитрий Иванович Менделеев (1834-1907) – великий русский химик, считал, что любое точное знание – система, в основе которой лежит единый фактор. В качестве главной характеристики химических элементов он выбрал атомный вес. Основываясь на изменении валентности элементов в соответствии с их атомным весом, Менделеев разделил их на периоды. В то время были известны 62 элемента, потому в таблице оказались пустые клетки для еще неоткрытых элементов. Впоследствии их свойства оказались именно такими, как предсказал Менделеев.
Сплошные среды – жидкости и газы – стали предметом изучения для новой науки – термодинамики. Между их параметрами (давлением, объемом, температурой, составом) были установлены количественные соотношения в законах Бойля – Мариотта, Гей-Люссака, Шарля и Менделеева – Клапейрона. Теплоту отождествили наконец с энергией, а представления о газах как о системах множеств маленьких молекул смогли связать механику и термодинамику в рамках молекулярно-кинетической теории. Этот шаг укрепил представление о единстве мира.
В XIX веке благодаря Джеймсу Клерку Максвеллу (1831-1879) и Людвигу Больцману (1844-1906) необратимость ряда явлений термодинамики – детерминированного мира молекул при учете огромного количества молекул в любом объеме нашла объяснение с точки зрения теории вероятности (молекулы, разлетевшись из части сосуда по всему сосуду, никогда вновь не соберутся в его части, хотя из законов механики это вовсе не следует; тепло, перейдя от нагретого тела к холодному, никогда не вернется назад, и термодинамическое равновесие самопроизвольно не нарушится). Устройства с тепловыми двигателями явили собой практическое воплощение научных идей молекулярной физики и термодинамики.
Так к XIX вв. постепенно стала утверждаться идея единства и взаимопревращения различных физических процессов, о взаимопревращаемости сил природы.
Пивовар и изобретатель из Манчестера – Джеймс Прескотт Джоуль (1818-1889), немецкие естествоиспытатели Юлиус Роберт Майер (1814-1878) и Герман Людвиг Фердинанд Гельмгольц (1821-1894) смогли сформулировать закон сохранения и превращения энергии: энергия не возникает из ничего и не уничтожается, а лишь переходит из одного вида в другой. Это – поныне не только важнейший, фундаментальный принцип физической науки, но и одна из основ материалистического мировоззрения, касающаяся естествознания в целом.
Трудами врача Томаса Юнга (1773-1829) и физика Огюстена Жака Френеля (1788-1827) окончательно утвердились представления о волновой природе света, который проявлял такие, хорошо известные любителям кругов на воде волновые свойства, как интерференция (наложение волн) и дифракция (огибание препятствий).
В первой половине XIX века, появляются самые разнообразные, изобретения, основанные на новейших открытиях в области естествознания – фотография (метод дагерротипов, изобретенный парижанином Луи Жаком Дагером), пароход, паровоз (изобретенная еще в XVIII веке паровая машина перекочевала с мануфактур и возникающих заводов и фабрик на транспорт). Целый ряд изобретений был связан и с электромагнитными явлениями.
Учение об электричестве и магнетизме в первой половине XVIII века получило развитие и даже вошло в придворную моду (правда, в виде забав).
Англичанин Стивен Грей (1666-1736) открыл электропроводимость, француз Шарль Франсуа Дюфе (1698-1739) – отрицательное и положительное электричество и взаимодействие равно- и разнозаряженных предметов. Вслед за этим был создан первый в истории конденсатор – лейденская банка. Ролью электричества в живом организме заинтересовались врачи (опыты по гальванизации). Американский философ, политик и естествоиспытатель Бенджамин Франклин (1706-1790) установил природу молнии. Шарль Огюстен Кулон (1736-1806) сумел измерить величины сил электрического заряда и установил основной закон электростатики – электрические силы обратно пропорциональны квадрату расстояния, аналогично гравитации. Электрические явления нашли практическое применение – после открытия датчанином Хансом Кристианом Эрстедом (1777-1851) взаимодействия электротока с магнитной стрелкой изобрели электромагнитный телеграф. Русский академик Борис Семенович Якоби (1801-1874) создал совершенно новую область применения электричества – гальванопластики. Алессандро Вольт (1745-1827) создал первый источник постоянного тока – вольтов столб, французский математик и физик Андрэ Мари Ампер (1775-1836), перевел результаты опытов с электричеством на сухой язык математики.
После того, как великий английский физик и химик Майкл Фарадей (1791-1867) обнаружил воздействие магнитного поля на световую волну, стало очевидным тождество электромагнитных и световых волн. Тепловое излучение нагретых тел оказалось подобным свету электромагнитным излучением, но только с большой длиной волны – человеческий глаз не мог ее воспринять как свет.
Новый тип явлений – электромагнитные – потребовал создания новой концепции. Она и была создана Максвеллом на основе опытов Ампера и Фарадея.
Несмотря на проблемы с эфиром и некоторые другие вопросы, единство свойств электромагнитных, световых, тепловых волн позволило, наконец, создать, окончательно единую картину мира в стиле классической физики. К этой совершенной, все объясняющей и все расставляющей картине стремились много веков десятки поколений ученых. И вот – финиш, апофеоз натурфилософии! Оставалось только уточнять небольшие детали, «нанести кистью последние, завершающие мазки на холст».
6. Релятивистская и квантовая революции в физике начала ХХ столетия
Был этот мир густою тьмой окутан.
Да будет свет! – и вот явился Ньютон.
Но Сатана не долго ждал реванша:
Пришел Эйнштейн – и стало все, как раньше.
Самуил Маршак
На рубеже столетий в классической физике все было ясно, оставалось решить лишь некоторые тонкости. Одной из них была нестыковка теоретических и экспериментальных результатов при излучении «абсолютно черного тела», которое, будучи нагретым до определенной температуры, способно излучать и поглощать, но не отражать электромагнитные волны. Эксперимент показал, что для каждой температуры существует длина волны, на которой тело излучает максимум энергии. Расчет, сделанный независимо друг от друга англичанами Джоном Рейли (Рэлеем) и Джеймсом Джинсом, основанный на свойствах электромагнитных волн и термодинамике Больцмана, приводил к абсурду: при уменьшении значения длины волны излучаемая энергия должна была стать бесконечно большой. Вся энергия Вселенной должна была давно уйти в ультрафиолетовое излучение, но этого на деле не происходило.
Парадокс назвали «ультрафиолетовой катастрофой».
Не находил объяснения и фотоэффект (возникновение электротока в разомкнутой цепи при освещении одного ее электрода светом): его парадокс состоял в том, что интенсивный свет с большей длиной волны не приводил к эффекту, а слабый свет, но с меньшей длиной волны, к эффекту, напротив, приводил.
Макс Планк (1858-1947) – немецкий физик, предложил в 1900 году решение проблемы излучения черного тела. Он предположил, что электромагнитная волна испускается порциями, которые получили названия квантов. Это означало, что волна имеет свойство частиц, корпускул! Энергия одной такой частицы определяется частотой (длиной) волны, и равна произведению частоты на новую мировую константу, названную постоянной Планка (h = 6,62 . 1034 Дж.сек). Выполнив расчеты, Планк получил распределение энергий волн, излучаемых черным телом, совпадающее с экспериментом.
Альберт Эйнштейн (1879-1955) применил идею Планка к объяснению фотоэффекта, и все стало на место: для выбивания электронов из материала электрода, которое приводит к возникновению тока, нужны частицы с большой энергией, то есть свет с малой длиной волны. Поэтому интенсивный свет с большой длиной волны к эффекту не приводит. А световое давление – это бомбардировка частицами, причем его величина зависит от энергии частиц (длины волны) в соответствии с теорией Планка. Другое название электромагнитных квантов – фотоны.
Свойства фотонов непривычны для воображения: часть – как у волны, часть – как у корпускулы. Это – свойства микромира. И если у волны микромира обнаружились свойства частицы, то у частицы микромира могут и должны быть волновые свойства. Это подтвердили наблюдения дифракции потока электронов на кристаллической решетке никеля: длина волны точно соответствовала скоростям электронов.
Физика вступила в этап, на котором, оставаясь предсказуемыми, результаты перестали быть наглядными. При этом квантовая концепция находит теперь практическое применение в любом из современных электронных приборов.
Следующей концепцией, конкретизированной в свете квантовой теории, стала концепция атома. В начале века атом представляли себе в виде пудинга – положительно заряженной жидкости, в которой плавали отрицательно заряженные электроны. Атом был электрически нейтрален и устойчив. Эта модель описывала все наблюдаемые свойства… за исключением спектров излучения и поглощения. Если атомный газ подвергнуть воздействию, например, пропустить через него электрический разряд, то атомы испускают электромагнитное излучение. Его можно видеть в газоразрядных трубках. Оказалось, что испускаемый свет имеет линейчатый, а не сплошной, спектр, то есть – определенных длин волн (цветов).
Англичанин Эрнест Резерфорд (1871-1937) поставил опыт, в котором положительно заряженные альфа-частицы пролетали сквозь вещество фольги, практически не отклоняясь (лишь некоторые отражалась назад), что совершенно противоречило капельной - пудинговой модели атома. Резерфорд предположил, что атом есть динамическая система: в центре находится массивное положительно заряженное ядро (от него и отскакивают положительные частицы), а вокруг по орбитам движутся отрицательно заряженные электроны. Большая часть атома пуста – сквозь нее-то и летят альфа-частицы. По классической электродинамике ускоренно вращающийся по орбите электрон (движущийся заряд), испускает энергию и должен упасть на ядро, но атом Резерфорда, между тем, оказался устойчивым. Новый парадокс.
Нильс Бор сформулировал новый постулат, провозгласив, что законы микромира отличаются от законов макромира, и электрон в атоме может двигаться и не излучать. Но не по любой орбите, а лишь по такой, длина которой соответствует целому числу длин волн. Разным скоростям соответствуют разные радиусы орбит. Если электрон почему-то (например, под воздействием внешнего поля) перескакивает с орбиты на орбиту, то его энергия (и энергия атома в целом) меняется. Разность энергий излучается или поглощается в виде кванта с частотой, определяемой согласно Планку. Расчет и экспериментальные результаты (вспомним линии излучения и поглощения в спектрах) совершенно совпали.
Ещё одним последствием квантовой теории стало создание великими русскими учеными Александром Михайловичем Прохоровым (1916-2001) и Николаем Геннадьевичем Басовым (1922-1998) квантового генератора – лазера.
Явление радиоактивности, открытое в конце XIX в. Антуаном Беккерелем (1852-1908), а затем исследованное Пьером Кюри (1859-1906) и Марией Склодовской-Кюри (1867-1934) и Энрико Ферми (1901-1964), указало на сложный состав атома, и все его частицы - протоны, нейтроны и другие, подчинялись неочевидным законам квантовой механики. Самой важной чертой квантовой физики стал принципиально неустранимый разрыв между входными условиями и наблюдаемыми результатами.
Новый постулат, объясняющий возникший парадокс, сформулировал Альберт Эйнштейн: скорость света, то есть скорость перемещения возмущения электромагнитного поля, измеренная из любой инерциальной системы отсчета, имеет одно и то же значение независимо от относительного движения систем. Следствием принципа относительности и независимости скорости света от инерциального движения системы отсчета является то, что размеры объектов и времена процессов зависят от того, по отношению к какой системе отсчета – движущейся или неподвижной относительно наблюдаемого объекта или явления - мы их измеряем. В 1905 году это было положено Эйнштейном в основу Специальной Теории Относительности (СТО).
Фундаментальные понятия классической физики – пространство и время, выступают в качестве предметов договоренности. Пространство и время – относительны!
Развитие этих идей привело Эйнштейна к созданию общей теории относительности (ОТО), называемой еще теорией гравитации или геометродинамикой. Согласно ей гравитационное «притяжение» тел является лишь наблюдаемым эффектом, в основе которого лежит геометрия пространства-времени. Находящиеся в нем массы искривляют. Нечто подобное, согласно ОТО, происходит и в трехмерном пространстве. Предсказания подтвердились.
Из ОТО следует так же, что лучи света должны отклоняться при прохождении мимо массивного тела вроде звезды. При измерениях во время солнечного затмения это явление впервые было зарегистрировано. Теория относительности из смелой гипотезы превратилась в убедительно доказанный факт, причем факт повседневной жизни!
Развитие физики в 17-18 веках было подготовлено трудами, наблюдениями, идеями, догадками ученых античности и средневековья. Ньютон сам говорил, что своими успехами он обязан тому, что «…стоял на плечах гигантов». Ньютон создал динамику – учение о движении тел, которое вошло в науку также под названием «механика Ньютона». В самом начале нашего курса были сформулированы так называемые основные мировые загадки, одна из которых – проблема движения (причины, источники, законы движения).
Одним из первых, кто задумался о сущности движения, был Аристотель. Аристотель определяет движение как изменение положения тела в пространстве. Пространство, по Аристотелю, целиком заполнено материей, неким подобием эфира или прозрачной, как воздух субстанцией. Пустоты в природе нет («природа боится пустоты»). Место тела задается материей, которая непосредственно соприкасается с его поверхностью. Поэтому собственное, или истинное движение есть изменение места тела. При увлечении тела средой оно «собственно» покоится», и такое движение не требует никакой действующей на него силы в качестве причины движения. (Так лодка, плывущая по течению, находится «собственно» в состоянии покоя.) Аристотель рассматривает четыре причины движения:
Аристотель ввел понятия естественного и насильственного движений. В чем источник движения? – спрашивает он. Ведь сама материя косна, пассивна. Самодвижущееся тело должно, таким образом, иметь в себе источник движения. Для местных движений, т.е. движений в пределах Земли он вводит понятие «естественного места», стремление к которому заложено в каждом теле, совершающем «естественное движение». Для тяжелых тел таким естественным местом является Земля, а для легких – огонь, или расположенная над воздухом огненная сфера.
Понятие силы. В своих рассуждениях Аристотель использовал понятия силы, не давая ему строгого определения. Он различал три вида силы: тягу, давление и удар. Рассматривал он и более сложные виды движения, например, вращательное, и пришел к понятию момента силы F*r как причины вращения.
Для естественного падения Аристотель постулировал закон V=F/w, где V – скорость, F – сила стремления тела к своему естественному месту, w – сопротивление воздуха. Таким образом, при отсутствии сопротивления воздуха скорость падения тела является бесконечной. Следовательно, пустоты в природе нет. По Аристотелю, сила стремления тела к естественному месту пропорциональна его массе, т.е. тяжелые тела падают быстрее (утверждение, впоследствии опровергнутое Галилеем). Все это, считал Аристотель, справедливо для «естественного», т.е. в пределах Земли движения. Небесные же тела, по Аристотелю, стремятся к «совершенному» движению по окружности, поэтому для их движений не нужно никакой силы.
Количество движения. Существенный вклад в формирование механической картины мира внес Рене Декарт – французский математик и философ (1596-1650). Мир Декарта состоит из материи как простой протяженности, наделенной только геометрическими характеристиками, и движения. Декарт сформулировал закон, который утверждает постоянство количества движения mV, равного произведению приложенной силы на время ее действия FDt, называемому импульсом силы. (mV = FDt ). Он также предложил использовать в математике прямоугольную (ортонормированную ) систему координат (X,Y,Z), получившую название декартовой системы координат.
Известно, что Евклид строил свою геометрию, вводя вначале постулаты, аксиомы, определения. Подобным же образом действовал Галилей, создавая свою механику. Подобно тому как Евклид устанавливал соотношения в пространстве, Галилей выявлял характер движения тел. Он ввел определения силы, скорости, ускорения, равномерного движения, инерции, понятия средней скорости и среднего ускорения. Скорость он, в частности, определял как отношение пройденного пути к затраченному времени, а силу сопоставлял такому математическому понятию как вектор, т.е. пользовался практически современным научным языком.
Галилей сформулировал четыре аксиомы:
1-я аксиома: (Закон инерции). Свободное движение по горизонтальной плоскости происходит с постоянной по величине и направлению скоростью. (Интересно отметить, что это утверждение никак не следует из опыта – ведь на практике мы видим постепенное замедление движения и Галилей использовал принцип идеализации, мысленный эксперимент).
2-я аксиома: свободно падающее тело движется с постоянным ускорением и конечная скорость тела, падающего из состояния покоя, связано с высотой, которая пройдена к этому моменту как V2 = 2gH.
3-я аксиома: свободное падение тел можно рассматривать как движение по наклонной плоскости, а горизонтальной плоскости соответствует закон инерции.
4-я аксиома: (принцип относительности) также построена путем мысленных экспериментов, путем абстракции. Галилей доказал, что траектория падающего тела отклоняется от вертикали из-за сопротивления воздуха и в безвоздушном пространстве тело упадет точно над точкой, из которой началось падение. То же происходит при падении тела с мачты движущегося с абсолютно постоянной скоростью корабля, но человеку, стоящему на берегу, траектория его падения представится в виде параболы. Здесь роль корабля сводится к сообщению телу начальной скорости Vо. Действительно, из курса школьной физики нам известно, что траектория вылетающего из пушки снаряда также представляет собой параболу.
В своем знаменитом труде «Диалог о двух главнейших системах мира: птолемеевой и коперниковой» (1632г.) (ранее уже упоминавшемся), Галилей подробно рассматривал принцип относительности. Он рассматривает мысленный опыт на движущемся корабле. («Сотни раз, сидя в своей каюте, я спрашивал себя: движется ли корабль или стоит на месте?»). Так Галилей сформулировал принцип, получивший название Принципа относительности Галилея следующим образом.
Внутри равномерно движущейся (т.н. инерциальной) системы все механические процессы протекают так же, как и внутри покоящейся.
В этой же книге Галилей опроверг аристотелевские представления о движении.Механическим движением тела называется изменение положения тела в пространстве относительно других тел с течением времени. Характеристики механического движения тела: траектория (линия, вдоль которой движется тело), перемещение (направленный отрезок прямой, соединяющий начальное положение тела M1 с его последующим положением M2), скорость (отношение перемещения ко времени движения - для равномерного движения). Характеристики механического движения относительны, т.е. они могут быть различными в разных системах отсчета.
Виды механического движения - прямолинейное равномерное, прямолинейное равноускоренное, равномерное движение по окружности
В зависимости от формы траектории движение может быть прямолинейным и криволинейным. Движение называется прямолинейным и равномерным, если за любые сколь угодно малые равные промежутки времени тело совершает одинаковые перемещения.
Движение тела, при котором его скорость за любые равные промежутки времени изменяется одинаково, называется равноускоренным движением. Для характеристики этого движения нужно знать скорость тела в данный момент времени или в данной точке траектории, т. е. мгновенную скорость, а также ускорение. Мгновенная скорость - это отношение достаточно малого перемещения на участке траектории, примыкающей к этой точке, к малому промежутку времени, в течение которого это перемещение совершается. Ускорение - величина, равная отношению изменения скорости к промежутку времени, в течение которого это изменение произошло. Иначе, ускорение - это быстрота изменения скорости.
При равномерном движении по окружности углы поворота радиуса за любые равные промежутки времени будут одинаковы. При этом движении модуль скорости постоянный, он направлен по касательной к траектории и постоянно меняет направление, поэтому возникает центростремительное ускорение.
Законы Ньютона выполняются одновременно, они позволяют объяснить закономерности движения планет, их естественных и искусственных спутников. Иначе, позволяют предвидеть траектории движения планет, рассчитывать траектории космических кораблей и их координаты в любые заданные моменты времени. В земных условиях они позволяют объяснить течение воды, движение многочисленных и разнообразных транспортных средств (движение автомобилей, кораблей, самолетов, ракет). Для всех этих движений, тел и сил справедливы законы Ньютона.
Первый закон Ньютона. Существуют такие системы отсчета, относительно которых поступательно движущееся тело сохраняет свою скорость постоянной, если на него не действуют другие тела (или действия других тел компенсируются). Этот закон часто называется законом инерции, поскольку движение с постоянной скоростью при компенсации внешних воздействий на тело называется инерцией.
Второй закон Ньютона. Сила, действующая на тело, равна произведению массы тела на сообщаемое этой силой ускорение: ускорение прямо пропорционально действующей (или равнодействующей) силе и обратно пропорционально массе тела. Третий закон Ньютона. Силы взаимодействия между телами: направлены по одной прямой, равны по величине, противоположны по направлению, приложены к разным телам (поэтому не могут уравновешивать друг друга), всегда действуют парами и имеют одну и ту же природу.
Опыты с различными телами показывают, что при взаимодействии двух тел оба тела получают ускорения, направленные в противоположные стороны. При этом отношение абсолютных значений ускорений взаимодействующих тел равно обратному отношению их масс. Влияние же другого тела, вызывающего ускорение, коротко называется силой.
В механике рассматриваются сила тяжести, сила упругости и сила трения. Сила тяжести - это сила, с которой Земля притягивает к себе все тела, находящиеся вблизи ее поверхности. Сила тяжести приложена к самому телу и направлена вертикально вниз.
Сила упругости возникает при деформации тела, она направлена перпендикулярно поверхности соприкосновения взаимодействующих тел. Сила упругости пропорциональна удлинению.
Сила, возникающая в месте соприкосновения тел и препятствующая их относительному перемещению, называется силой трения. Если тело скользит по какой-либо поверхности, то его движению препятствует сила трения скольжения. Сила трения скольжения всегда направлена против движения тела.
Сила тяжести и сила упругости - это силы, зависящие от координат взаимодействующих тел относительно друг друга.
Сила трения зависит от скорости тела, но не зависит от координат.
Как в природе, так и в технике эти силы проявляются одновременно или парами. Например, сила трения увеличивается при увеличении силы тяжести. В быту часто полезное трение усиливают, а вредное - ослабляют (применяют смазку, заменяют трение скольжения трением качения).
Этот закон был открыт Ньютоном в 1666 г. Он гласит, что сила гравитационного притяжения между двумя материальными точками массы и, разделёнными расстоянием, пропорциональна обеим массам и обратно пропорциональна квадрату расстояния между ними.
Согласно этому закону между любой парой тел во Вселенной действует сила взаимного притяжения.
Относительно этого закона нужно сделать несколько важных замечаний. Во-первых, его действие в распространяется на все без исключения физические материальные тела во Вселенной. В частности, сейчас вы и эта книга испытываете равные по величине и противоположные по направлению силы взаимного гравитационного притяжения. Конечно же, эти силы настолько малы, что их не зафиксируют даже самые точные из современных приборов, — но они реально существуют, и их можно рассчитать. Точно так же вы испытываете взаимное притяжение и с далеким квазаром, удаленным от вас на десятки миллиардов световых лет. Опять же, силы этого притяжения слишком малы, чтобы их инструментально зарегистрировать и измерить.
Второй момент заключается в том, что сила притяжения Земли у ее поверхности в равной мере воздействует на все материальные тела, находящиеся в любой точке земного шара. Прямо сейчас на вас действует сила земного притяжения. Если вы что-нибудь уроните, оно под действием всё той же силы равноускоренно устремится к земле.
Закон всемирного тяготения объясняет механическое устройство Солнечной системы.
Под реактивным понимают движение тела, возникающее при отделении некоторой его части с определенной скоростью относительно тела. При этом возникает т.н. реактивная сила, сообщающая телу ускорение.
Среди растений реактивное движение встречается у созревших плодов бешеного огурца. При созревании растения его плод отцепляется от плодоножки. Под большим давлением из плода выбрасывается жидкость с семенами, которая направлена в противоположное направление движению плода.
Среди животного мира реактивное движение встречается у кальмаров, осьминогов, медуз, каракатиц и других. Перечисленные животные передвигаются, выбрасывая вбираемую ими воду.
Но ни один учёный, ни один писатель-фантаст за многие века не смог назвать единственного находящегося в распоряжении человека средства, с помощью которого можно преодолеть силу земного притяжения и улететь в космос. Это смог осуществить русский учёный К. Э. Циолковский(1857-1935). Он показал, что единственный аппарат, способный преодолеть силу тяжести - это ракета, т.е. аппарат с реактивным двигателем, использующим горючее и окислитель, находящиеся на самом аппарате.
Реактивный двигатель-это двигатель, преобразующий химическую энергию топлива в кинетическую энергию газовой струи, при этом двигатель приобретает скорость в обратном направлении.
Каждый знает, что выстрел из ружья сопровождается отдачей. Если бы вес пули равнялся бы весу ружья, они бы разлетелись с одинаковой скоростью. Отдача происходит потому, что отбрасываемая масса газов создаёт реактивную силу, благодаря которой может быть обеспечено движение как в воздухе, так и в безвоздушном пространстве. И чем больше масса и скорость истекающих газов, тем большую силу отдачи ощущает наше плечо, чем сильнее реакция ружья, тем больше реактивная сила. Это легко объяснить из закона сохранения импульса, который гласит, что геометрическая (т.е. векторная) сумма импульсов тел, составляющих замкнутую систему, остаётся постоянной при любых движениях и взаимодействиях тел системы
Энергия - характеристика состояния тела. Потенциальная энергия характеризует взаимодействующие тела, а кинетическая энергия – движущиеся тела. И потенциальная, и кинетическая энергия изменяются только в результате такого взаимодействия тел, при котором действующие на тела силы совершают работу, отличную от нуля.
Кинетическая энергия — энергия механической системы, зависящая от скоростей движения её точек. Кинетическая энергия – энергия движущегося тела. Часто выделяют кинетическую энергию поступательного и вращательного движения.
Более строго, кинетическая энергия есть разность между полной энергией системы и её энергией покоя; таким образом, кинетическая энергия — часть полной энергии, обусловленная движением.
Кинетическая энергия зависит от того, с каких позиций рассматривается система. Если рассматривать макроскопический объект (например, твёрдое тело видимых размеров), то тело неподвижно как единое целое, и можно говорить о такой форме энергии, как внутренняя энергия. Кинетическая энергия в этом случае появляется лишь тогда, когда тело движется как целое.
То же тело, рассматриваемое с микроскопической точки зрения, состоит из атомов и молекул, и внутренняя энергия обусловлена движением атомов и молекул и рассматривается как следствие теплового движения этих частиц, а абсолютная температура тела прямо пропорциональна средней кинетической энергии такого движения атомов и молекул. Таким образом, чем больше масса и скорость тела, тем выше его кинетическая энергия.
В физике потенциальной энергией называют энергию, которая определяется взаимным положением взаимодействующих тел или частей одного и того же тела. Потенциальная энергия - энергия взаимодействия, и она не зависит от скорости, а зависит от координаты тела (от высоты). То есть, если тело поднято над землей, то оно обладает возможностью падая, произвести какую-либо работу. И возможная величина этой работы будет равна потенциальной энергии тела на высоте.
Работа - мера изменения энергии. Работа действующих сил, приложенных к телу, равна изменению кинетической энергии.
Сумму кинетической и потенциальной энергий тела называют его полной механической энергией. Полная механическая энергия замкнутой системы тел, взаимодействующих силами тяготения или упругости, остается неизменной при любых движениях тел системы. Это утверждение является законом сохранения энергии в механических процессах. На примере свободно падающего тела можно показать, что при его движении потенциальная энергия переходит в кинетическую. При этом потенциальная энергия уменьшается ровно на столько, на сколько увеличивается кинетическая энергия, т. е. полная механическая энергия во все время падения остается неизменной, хотя потенциальная энергия превращается в кинетическую.
Механическая работа – это физическая величина, равная произведению модуля силы на модуль перемещения и косинус угла между ними.
Работа - величина скалярная. Измеряется работа в джоулях (Дж).
В зависимости от направлений векторов силы и перемещения механическая работа может быть положительной, отрицательной или равной нулю.
Мощность машины или механизма - это отношение совершенной работы ко времени, в течение которого она совершена. Измеряется мощность в ваттах (Вт), 1 Вт = 1 Дж/с.
Простые механизмы: наклонная плоскость, рычаг, блок. Их действие подчиняется “золотому правилу механики”: во сколько раз выигрываем в силе, во столько же раз проигрываем в перемещении. На практике совершаемая с помощью механизма полная работа всегда несколько больше полезной. Часть работы совершается против силы трения в механизме и перемещения его отдельных частей.
Механические волны - это распространяющиеся в упругой среде возмущения (отклонения частиц среды от положения равновесия). Если колебания частиц и распространение волны происходят в одном направлении, волну называют продольной, а если эти движения происходят в перпендикулярных направлениях, - поперечной. Продольные волны, сопровождаемые деформациями растяжения и сжатия, могут распространяться в любых упругих средах: газах, жидкостях и твердых телах. Поперечные волны распространяются в тех средах, где появляются силы упругости при деформации сдвига, т. е. в твердых телах. При распространении волны происходит перенос энергии без переноса вещества.
Скорость, с которой распространяется возмущение в упругой среде, называют скоростью волны. Она определяется упругими свойствами среды. Расстояние, на которое распространяется волна за время, равное периоду колебаний в ней, называется длиной волны.
Звуковые волны - это продольные волны, в которых колебания частиц происходят вдоль ее распространения. Скорость звука в различных средах разная, в твердых телах и жидкостях она значительно больше, чем в воздухе. На границе сред с упругими свойствами звуковая волна отражается. С явлением отражения звука связано эхо. Это явление состоит в том, что звук от источника доходит до какого-то препятствия, отражается от него и возвращается к месту, где он возник, через промежуток времени не менее 1/15 с. Через такой интервал времени человеческое ухо способно воспринимать раздельно следующие один за другим звуки.
Молекула (новолат. molecula, уменьшительное от лат. moles — масса) — электрически нейтральная частица, состоящая из двух или более связанных ковалентными связями атомов, наименьшая частица химического вещества, обладающая всеми его химическими свойствами.
Обычно подразумевается, что молекулы нейтральны (не несут электрических зарядов) и не несут неспаренных электронов (все валентности насыщены); заряженные молекулы называют ионами, молекулы с мультиплетностью, отличной от единицы (то есть с неспаренными электронами и ненасыщенными валентностями) — радикалами.
Молекулы относительно высокой молекулярной массы, состоящие из повторяющихся низкомолекулярных фрагментов, называются макромолекулами.
Особенности строения молекул определяют физические свойства вещества, состоящего из этих молекул.
Все вещества состоят из крошечных частиц - атомов. Атомы соединяются в молекулы, крупнейшие из которых имеют сложное строение, состоящее из тысяч атомов.
Атом (от др.-греч. ἄτομος — неделимый) — наименьшая, химически неделимая часть химического элемента, являющаяся носителем его свойств. Атом состоит из атомного ядра и электронов. Ядро атома состоит из положительно заряженных протонов и незаряженных нейтронов. Если число протонов в ядре совпадает с числом электронов, то атом в целом оказывается электрически нейтральным. В противном случае он обладает некоторым положительным или отрицательным зарядом и называется ионом. Атомы классифицируются по количеству протонов и нейтронов в ядре: количество протонов определяет принадлежность атома некоторому химическому элементу, а число нейтронов — изотопу этого элемента.
Атомы различного вида в разных количествах, связанные межатомными связями, образуют молекулы.
Все вещества состоят из отдельных мельчайших частиц: молекул и атомов.
Основоположником идеи дискретного строения вещества (т.е. состоящего из отдельных частиц) считается древнегреческий философ Демокрит, живший около 470 года до новой эры. Демокрит считал, что все тела состоят из бесчисленного количества сверхмалых, невидимых глазу, неделимых частиц. "Они бесконечно разнообразны, имеют впадины и выпуклости, которыми сцепляются, образуя все материальные тела, а в природе существуют только атомы и пустота.
Догадка Демокрита была надолго забыта. Однако его взгляды на строение вещества дошли до нас благодаря римскому поэту Лукрецию Кару: "... все вещи, как мы замечаем, становятся меньше, и как бы тают они в течение долгого века..."
Атомно-молекулярное учение развил и впервые применил в химии великий русский ученый М.В.Ломоносов. Основные положения этого учения изложены в работе "Элементы математической химии" (1741) и ряде других.
Через 67 лет после Ломоносова атомистическое учение в химии применил английский ученый Джон Дальтон. В своей основе учение Дальтона повторяет учение Ломоносова. Однако Дальтон отрицал существование молекул у простых веществ, что по сравнению с учением Ломоносова является шагом назад. По Дальтону, простые вещества состоят только из атомов, и лишь сложные вещества - из "сложных атомов" (в современном понимании - молекул).
Атомно-молекулярное учение в химии окончательно утвердилось лишь в середине XIX в. На международном съезде химиков г. Карлсруэ в 1860 г. были приняты определения понятий молекулы и атома.
Атомно-молекулярное теория базируется на следующих законах и утверждениях:
Молекула - это наименьшая частица данного вещества, обладающая его химическими свойствами. Химические свойства молекулы определяются ее составом и химическим строением.
Атом - наименьшая частица химического элемента, входящая в состав молекул простых и сложных веществ. Химические свойства элемента определяются строением его атома. Отсюда следует определение атома, соответствующее современным представлениям.
Атом - это электронейтральная частица, состоящая из положительно заряженного атомного ядра и отрицательно заряженных электронов.
Согласно современным представлениям из молекул состоят вещества в газообразном и парообразном состоянии. В твердом состоянии из молекул состоят лишь вещества, кристаллическая решетка которых имеет молекулярную структуру. Большинство же твердых неорганических веществ не имеет молекулярной структуры: их решетка состоит не из молекул, а из других частиц (ионов, атомов); они существуют в виде макротел (кристалл хлорида натрия, кусок меди и др.). Не имеют молекулярной структуры соли, оксиды металлов, алмаз, кремний, металлы.
Атомно-молекулярное учение позволило объяснить основные понятия и законы химии. С точки зрения атомно-молекулярного учения химическим элементом называется каждый отдельный вид атомов. Важнейшей характеристикой атома является положительный заряд его ядра, численно равный порядковому номеру элемента. Значение заряда ядра служит отличительным признаком для различных видов атомов, что позволяет дать более полное определение понятия элемента:
Химический элемент - это определенный вид атомов с одинаковым положительным зарядом ядра.
Известно 107 элементов. В настоящее время продолжаются работы по искусственному получению химических элементов с более высокими порядковыми номерами.
Все элементы обычно делят на металлы и неметаллы. Однако это деление условно. Важной характеристикой элементов является их распространенность в земной коре, т.е. в верхней твердой оболочке Земли, толщина которой принята условно равной 16 км.
Тепловое движение — процесс хаотического (беспорядочного) движения частиц, образующих вещество. Чаще всего рассматривается тепловое движение атомов и молекул.
Хаотичность — важнейшая черта теплового движения. Важнейшими доказательствами существования движения молекул является Броуновское движение и диффузия.
Молекулы и атомы в твердом теле совершают беспорядочные колебания относительно положений, в которых силы притяжения и отталкивания со стороны соседних атомов уравновешены.
В жидкости молекулы не только колеблются около положения равновесия, но и совершают перескоки из одного положения равновесия в соседнее, эти перескоки молекул являются причиной текучести жидкости, ее способности принимать форму сосуда.
В газах обычно расстояния между атомами и молекулами в среднем значительно больше размеров молекул. Силы отталкивания на больших расстояниях не действуют, поэтому газы легко сжимаются.
Практически отсутствуют между молекулами газа и силы притяжения, поэтому газы обладают свойством неограниченно расширяться.
Закономерности броуновского движения. Большое значение в обосновании молекулярно-кинетической теории имело открытие английского ботаника Роберта Броуна (1773—1858). В 1827 г. он обнаружил беспорядочное движение видимых в микроскоп твердых частиц, находящихся в жидкости. Беспорядочно движущиеся молекулы жидкости или газа сталкиваются с твердой частицей и изменяют направление и модуль скорости ее движения. Число молекул, ударяющих частицу с различных сторон, и направление передаваемого ими импульса непостоянны. Чем меньше размеры и масса частицы, тем более заметными становятся изменения ее импульса во времени. Было установлено, что крупные частицы с размерами более 5 мкм в броуновском движении практически не участвуют (они неподвижны или седиментируют), более мелкие частицы (менее 3 мкм) двигаются поступательно по весьма сложным траекториям или вращаются. Когда в среду погружено крупное тело, то толчки, происходящие в огромном количестве, усредняются и формируют постоянное давление. Если крупное тело окружено средой со всех сторон, то давление практически уравновешивается, остаётся только подъёмная сила Архимеда — такое тело плавно всплывает или тонет. Если же тело мелкое, как броуновская частица, то становятся заметны флуктуации давления, которые создают заметную случайно изменяющуюся силу, приводящую к колебаниям частицы. Броуновские частицы обычно не тонут и не всплывают, а находятся в среде во взвешенном состоянии.
Движение частиц ускоряется с повышением температуры и с уменьшением размера частиц и замедляется при замене воды более вязкой средой.
Диффузия (лат. diffusio — распространение, растекание, рассеивание, взаимодействие) — процесс взаимного проникновения молекул одного вещества между молекулами другого, приводящий к самопроизвольному выравниванию их концентраций по всему занимаемому объёму.
Примером диффузии может служить перемешивание газов (например, распространение запахов) или жидкостей (если в воду капнуть чернил, то жидкость через некоторое время станет равномерно окрашенной). Другой пример связан с твёрдым телом: атомы соприкасающихся металлов перемешиваются на границе соприкосновения. Важную роль диффузия частиц играет в физике плазмы.
Скорость протекания диффузии зависит от многих факторов. Так, в случае металлического стержня тепловая диффузия проходит очень быстро. Если же стержень изготовлен из синтетического материала, тепловая диффузия протекает медленно. Диффузия молекул в общем случае протекает ещё медленнее.
Все виды диффузии подчиняются одинаковым законам. Скорость диффузии пропорциональна площади поперечного сечения образца, а также разности концентраций, температур или зарядов (в случае относительно небольших величин этих параметров).
Диффузия представляет собой процесс на молекулярном уровне и определяется случайным характером движения отдельных молекул. Скорость диффузии в связи с этим пропорциональна средней скорости молекул. В случае газов средняя скорость малых молекул больше, а именно она обратно пропорциональна квадратному корню из массы молекулы и растёт с повышением температуры. Если в смеси газов масса одной молекулы в четыре раза больше другой, то такая молекула передвигается в два раза медленнее по сравнению с её движением в чистом газе. Соответственно, скорость диффузии её также ниже.
атомно-молекулярных представлений.
Агрегатное состояние — состояние вещества, характеризующееся определёнными качественными свойствами: способностью или неспособностью сохранять объём и форму, наличием или отсутствием дальнего и ближнего порядка и другими. Изменение агрегатного состояния может сопровождаться скачкообразным изменением свободной энергии, энтропии, плотности и других основных физических свойств.
Выделяют три основных агрегатных состояния: твёрдое тело, жидкость и газ. Иногда не совсем корректно к агрегатным состояниям причисляют плазму. Существуют и другие агрегатные состояния, например, жидкие кристаллы или конденсат Бозе — Эйнштейна.
Определения агрегатных состояний не всегда являются строгими. Так, существуют аморфные тела, сохраняющие структуру жидкости и обладающие небольшой текучестью и способностью сохранять форму; жидкие кристаллы текучи, но при этом обладают некоторыми свойствами твёрдых тел, в частности, могут поляризовать проходящее через них электромагнитное излучение.
Агрегатное состояние зависит от физических условий, в которых находится вещество. Существование у вещества нескольких агрегатных состояний обусловлено различиями в тепловом движении его молекул (атомов) и в их взаимодействии при разных условиях.
Газ - агрегатное состояние вещества, в котором частицы не связаны или весьма слабо связаны силами взаимодействия; кинетическая энергия теплового движения его частиц (молекул, атомов) значительно превосходит потенциальную энергию взаимодействий между ними, поэтому частицы движутся почти свободно, целиком заполняя сосуд, в котором находятся, и принимают его форму. Любое вещество можно перевести в газообразное, изменяя давление и температуру.
Жидкость - агрегатное состояние вещества, промежуточное между твердым и газообразным. Для нее характерна большая подвижность частиц и малое свободное пространство между ними. Это приводит к тому, что жидкости сохраняют свой объем и принимают форму сосуда. В то же время жидкость обладает рядом только ей присущих свойств, одно из которых - текучесть.
В жидкости молекулы размещаются очень близко друг к другу. Поэтому плотность жидкости гораздо больше плотности газов (при нормальном давлении). Свойства жидкости по всем направлениям одинаковы (изотропны) за исключением жидких кристаллов.
При нагревании или уменьшении плотности свойства жидкости, теплопроводность, вязкость меняются, как правило, в сторону сближения со свойствами газов.
Тепловое движение молекул жидкости состоит из сочетания коллективных колебательных движений и происходящих время от времени скачков молекул из одних положений равновесия в другие.
Твердые тела - агрегатное состояние вещества, характеризующееся стабильностью формы и характером теплового движения атомов. Это движение вызывает колебания атомов (или ионов), из которых состоит твердое тело. Амплитуда колебаний обычно мала по сравнению с межатомными расстояниями.
Структура твердых тел многообразна, но, тем не менее, их можно разделять на кристаллы и аморфные тела.
В кристаллах атомы (или ионы) расположены в пространстве в узлах кристаллической решетки и колеблются около них. Строгая периодичность в расположении атомов приводит к сохранению порядка на больших расстояниях.
В аморфных телах атомы колеблются около хаотически расположенных точек. Свойства аморфных тел: они изотропны, не имеют постоянной температуры плавления, обладают текучестью.
По типам химической связи твердые тела делят на три класса, каждый из которых характеризуется определенным пространственным распределением электронов: 1) ионные кристаллы (NaCl, KaCl); 2) ковалентные (алмаз, Ge, Si); 3) металлические.
Кристаллическая структура твердых тел зависит от сил, действующих между атомами и частицами. Одни и те же атомы могут образовывать различные структуры - серое и белое олово, графит и алмаз.
Полиморфизм - способность некоторых веществ существовать в состояниях с различной атомно-кристаллической структурой (сера, кремнезем имеют более чем две полиморфные модификации).
Одиночные кристаллы называют монокристаллами. У монокристаллов некоторые свойства анизотропны, т. е. зависят от направления (механические, оптические и электрические). Естественная анизотропия - характерная особенность кристаллов; например, пластинка слюды легко расщепляется на тонкие листочки вдоль определенной плоскости (параллельно этой плоскости силы сцепления между частицами слюды наименьшие).
Твердое тело, состоящее из большого числа маленьких кристаллов, называют поликристаллическим. Поликристаллические материалы изотропны.
Плазма - частично или полностью ионизированный газ, в котором плотности отрицательных и положительных зарядов одинаковы. При сильном нагревании любое вещество испаряется, превращается в газ. Если увеличивать температуру и далее, резко усиливается процесс термической ионизации, то олекулы газа начнут распадаться на составляющие их атомы, которые затем превращаются в ионы. В состоянии плазмы находится подавляющая часть вещества Вселенной: звезды, галактические туманности и межзвездная среда. Около Земли плазма существует в виде солнечного ветра и ионосферы. На поверхности Земли в естественных условиях плазма - редкий гость, появляющийся лишь при вспышках молний. В лабораторных условиях плазма впервые появилась в виде газового разряда. Она заполняет лампы дневного света, стеклянные трубки неоновой рекламы и т. д.
Изменения агрегатного состояния это термодинамические процессы, называемые фазовыми переходами. Выделяют следующие их разновидности: из твёрдого в жидкое — плавление; из жидкого в газообразное — испарение и кипение; из твёрдого в газообразное — сублимация; из газообразного в жидкое или твёрдое — конденсация; из жидкого в твёрдое — кристаллизация. Отличительной особенностью является отсутствие резкой границы перехода к плазменному состоянию.
При переходах из одного агрегатного состояния в другое, как уже отмечено выше, обязательно выделяется или поглощается тепло. Переход от более упорядоченных структур к менее упорядоченным требуют притока тепла извне, при обратных переходах выделяется такое же количество тепла, которое поглощается при прямом переходе.
При изменениях агрегатного состояния резко изменяются электрические характеристики вещества. Так, если металл в твердом или жидком виде - проводник, то пары металла - типичный диэлектрик.
Закон сохранения энергии - один из основных законов природы. В любом природном явлении, энергия не может возникнуть или исчезнуть просто так. Она просто переходит из одного вида в другой, при этом ее значение всегда сохраняется.
Закон сохранения энергии раскрывает физический смысл понятия работы.
Работа сил тяготения и сил упругости, с одной стороны, равна увеличению кинетической энергии, а с другой стороны, — уменьшению потенциальной энергии тел.
Следовательно, работа равна энергии, превратившейся из одного вида в другой.
Закон сохранения полной механической энергии в процессах с участием сил упругости и гравитационных сил является одним из основных законов механики. Знание этого закона упрощает решение многих задач, имеющих большое значение в практической жизни.
Механическая энергия сохраняется не при любых взаимодействиях тел. Закон сохранения механической энергии не выполняется, если между телами действуют силы трения. Автомобиль, двигавшийся по горизонтальному участку дороги, после выключения двигателя проходит некоторый путь и под действием сил трения останавливается. Кинетическая энергия поступательного движения автомобиля стала равной нулю, а потенциальная энергия не увеличилась. Не означает ли это, что кинетическая энергия автомобиля исчезла бесследно?
Опыт показывает, что механическое движение никогда не исчезает бесследно и никогда оно не возникает само собой. Во время торможения автомобиля произошло нагревание тормозных колодок, шин автомобиля и асфальта. Следовательно, в результате действия сил трения кинетическая энергия автомобиля не исчезла, а превратилась во внутреннюю энергию теплового движения молекул.
При любых физических взаимодействиях энергия не возникает и не исчезает, а только превращается из одной формы в другую.
Первый закон термодинамики – закон сохранения энергии для тепловых процессов – устанавливает связь между количеством теплоты Q, полученной системой, изменением ΔU ее внутренней энергии и работой A, совершенной над внешними телами.
Первый закон термодинамики не устанавливает направления тепловых процессов. Однако, как показывает опыт, многие тепловые процессы могут протекать только в одном направлении. Такие процессы называются необратимыми. Например, при тепловом контакте двух тел с разными температурами тепловой поток всегда направлен от более теплого тела к более холодному. Никогда не наблюдается самопроизвольный процесс передачи тепла от тела с низкой температурой к телу с более высокой температурой. Следовательно, процесс теплообмена при конечной разности температур является необратимым.
Обратимыми процессами называют процессы перехода системы из одного равновесного состояния в другое, которые можно провести в обратном направлении через ту же последовательность промежуточных равновесных состояний. При этом сама система и окружающие тела возвращаются к исходному состоянию.
Процессы, в ходе которых система все время остается в состоянии равновесия, называются квазистатическими. Все квазистатические процессы обратимы. Все обратимые процессы являются квазистатическими.
Процессы превращения механической работы во внутреннюю энергию тела являются необратимыми из-за наличия трения, процессов диффузии в газах и жидкостях, процессы перемешивания газа при наличии начальной разности давлений и т. д. Все реальные процессы необратимы, но они могут сколь угодно близко приближаться к обратимым процессам. Обратимые процессы являются идеализацией реальных процессов.
Первый закон термодинамики не может отличить обратимые процессы от необратимых. Он просто требует от термодинамического процесса определенного энергетического баланса и ничего не говорит о том, возможен такой процесс или нет. Направление самопроизвольно протекающих процессов устанавливает второй закон термодинамики. Он может быть сформулирован в виде запрета на определенные виды термодинамических процессов.
Первое известное устройство, приводимое в движение паром, было описано Героном Александрийским в первом столетии. Пар, выходящий по касательной из дюз, закреплённых на шаре, заставлял последний вращаться. Реальная паровая турбина была изобретена намного позже, в средневековом Египте, арабским философом, астрономом и инженером XVI века Таки ад-Дином Мухаммедом (англ.). Он предложил метод вращения вертела посредством потока пара, направляемого на лопасти, закреплённые по ободу колеса. Подобную машину предложил в 1629 году итальянский инженер Джованни Бранка для вращения цилиндрического анкерного устройства, которое поочерёдно поднимало и отпускало пару пестов в ступах. Паровой поток в этих ранних паровых турбинах был не концентрированным, и большая часть его энергии рассеивалась во всех направлениях, что приводило к значительным потерям энергии.
Однако дальнейшее развитие парового двигателя требовало экономических условий, в которых разработчики двигателей могли бы воспользоваться их результатами. Таких условий не было ни в античную эпоху, ни в средневековье, ни в эпоху Возрождения.
Только в конце 17-го столетия паровые двигатели были созданы как единичные курьёзы.
Ранние паровые машины назывались вначале «огневыми машинами», а также «атмосферными» или «конденсирующими» двигателями Уатта. Они работали на вакуумном принципе и поэтому известны также как «вакуумные двигатели». Такие машины работали для привода поршневых насосов, во всяком случае, нет никаких свидетельств о том, что они использовались в иных целях. Вакуумные паровые машины, несмотря на очевидные ограничение их эффективности, были относительно безопасны, использовали пар низкого давления, что вполне соответствовало общему невысокому уровню котельных технологий XVIII века. Мощность машины ограничивалась низким давлением пара, размерами цилиндра, скоростью сгорания топлива и испарения воды в котле, а также размерами конденсатора.
Впервые практически действующие универсальные паровые машины были созданы И. И. Ползуновым (1763 г.) и Д. Уаттом (1764 г.).
Конструкция первых паровых машин имела основные части всех последующих тепловых машин: нагреватель, в котором освобождалась энергия топлива; водяной пар как рабочее тело и поршень с цилиндром, преобразующий внутреннюю энергию пара в механическую энергию; охладитель, необходимый для снижения температуры и давления пара.
Первые паровые машины, естественно, имели серьезные конструктивные недостатки. Например, желание сделать котел дешевым и безопасным в работе приводило к необходимости использовать пар низкого давления, а для получения большей мощности это вынуждало делать цилиндры диаметром около 2 м с ходом поршня 3 м. Соответственно этому приходилось увеличивать и все другие детали машины. Так, водоподъемная машина Ньюкомена - Коули достигала высоты 4-5-этажного дома.
Дальнейшее усовершенствование паровых машин, повышение температуры и давления пара позволило существенно уменьшить их размеры и повысить мощность. Это сделало возможным использование паровых машин на судах (пароходы) и на железнодорожных локомотивах (паровозы), а также в стационарных установках для привода станков.
Главным недостатком паровых машин был низкий КПД, не превышающий 9%.
Среди способов увеличения КПД тепловых двигателей один оказался особенно плодотворным. Сущность его состояла в уменьшении потерь теплоты за счет перенесения места сжигания топлива и нагревания рабочего тела внутрь цилиндра. Отсюда и происхождение названия «двигатель внутреннего сгорания» (ДВС). Естественно, что для двигателей внутреннего сгорания наиболее удобным топливом является газообразное или жидкое.
Поршневой двигатель внутреннего сгорания
Первый двигатель внутреннего сгорания был создан в 1860 г. французским инженером Э. Ленуаром. КПД первого двигателя внутреннего сгорания был 3,3%. Однако новые двигатели вскоре были значительно усовершенствованы - было предложено использовать в двигателе внутреннего сгорания четырехтактный цикл: всасывание, сжатие, горение и расширение, выхлоп.
Карбюраторный двигатель
Развитие нефтяной промышленности в конце XIX в. дало новые виды топлива — керосин, бензин. В бензиновом двигателе для более полного сгорания топлива перед впуском в цилиндр его смешивают с воздухом в специальных смесителях, называемых карбюраторами. Воздушно-бензиновую смесь называют горючей смесью. Для поршневых двигателей внутреннего сгорания важной характеристикой, определяющей полноту сгорания топлива и значительно влияющей на значение КПД, является степень сжатия горючей смеси.
Двигатель Дизеля
Чтобы повысить КПД двигателя внутреннего сгорания, немецкий инженер Р. Дизель в 1892 г. предложил использовать еще большие степени сжатия рабочего тела и расширение при постоянном давлении. Современные дизели имеют степень сжатия 16-21 и КПД около 40%.
Паровая турбина
Попытки сконструировать паровую турбину, способную конкурировать с паровой машиной, до середины XIX в. были безуспешными, так как в механическую энергию вращения турбины удавалось преобразовывать лишь незначительную часть кинетической энергии струи пара.
Первая паровая турбина, нашедшая практическое применение, была изготовлена шведским инженером Г. Лавалем в 1889 г. Ее мощность была меньше 4 кВт при частоте вращения ротора 500 об/с. КПД современных паровых турбин достигает 40%. Поэтому электрические генераторы всех тепловых и атомных электростанций приводятся в действие паровыми турбинами. Паротурбинные двигатели нашли широкое применение на водном транспорте. Их применению на сухопутном транспорте и тем более в авиации препятствует необходимость иметь топку и котел для получения пара, а также большое количество воды для использования в качестве рабочего тела.
Газовые турбины
Мысль об устранении топки и котла в тепловой машине типа турбины за счет сжигания топлива в самом рабочем теле давно занимала конструкторов. Но разработка таких турбин внутреннего сгорания, в которых рабочим телом является не пар, а расширяющийся от нагревания воздух, сдерживалась отсутствием материалов, способных работать длительное время при высоких температурах и больших механических нагрузках. КПД газотурбинных установок достигает 25-30%. Он занимает втрое меньше места, чем дизель той же мощности, а его удельная масса (отношение массы к мощности) в 6-9 раз меньше, чем у авиационного поршневого ДВС. Компактность и быстроходность в сочетании с большой мощностью на единицу массы определили первую практически важную область применения газотурбинных двигателей — авиацию.
тепловых машин, и проблема энергосбережения.
В своей жизни вы постоянно встречаетесь с разнообразными двигателями. Они приводят в движение автомобили и самолеты, трактора, корабли и железнодорожные локомотивы. Электрический ток вырабатывается преимущественно с помощью тепловых машин. Именно появление и развитие тепловых машин создало возможность для быстрого развития промышленности в XVIII—XX вв.
Работа тепловых машин связана с использованием ископаемого топлива. Современное мировое сообщество использует энергетические ресурсы в громадных масштабах. Например, за 1979 г. энергопотребление составило примерно 3 • 1017 кДж.
Все тепловые потери в различных тепловых двигателях приводят к повышению внутренней энергии окружающих тел и в конечном счете атмосферы. Казалось бы, что выработка 3 • 1017 кДж энергии в год, отнесенная к площади освоенной человеком суши (8,5 млрд га), даст ничтожную величину 0,11 Вт/м2 по сравнению с поступлением лучистой энергии Солнца на земную поверхность: 1,36 кВт/м2.
Однако при повышении ежегодного использования первичных энергоресурсов всего в 100 раз средняя температура на Земле повысится примерно на 1°С. Дальнейшее повышение температуры может привести к интенсивному таянию ледников и катастрофическому повышению уровня Мирового океана, к изменению природных комплексов, что существенно изменит условия жизни человека на планете. Но темпы роста энергопотребления увеличиваются, и сейчас создалось такое положение, что до увеличения температуры атмосферы потребуется всего несколько десятков лет.
Однако человечество не может отказаться от использования машин в своей деятельности. Чтобы произвести одну и ту же необходимую работу, следует повысить КПД двигателя, что позволит расходовать меньше топлива, т. е. позволит не увеличивать энергопотребление. Бороться с негативными последствиями применения тепловых машин можно только путем увеличения эффективности использования энергии, путем ее экономии.
Топки тепловых электростанций, двигатели внутреннего сгорания автомобилей, самолетов и других машин выбрасывают в атмосферу вредные для человека, животных и растений вещества, например сернистые соединения (при сгорании каменного угля), оксиды азота, углеводороды, оксид углерода (угарный газ СО), хлор и т. д. Эти вещества попадают в атмосферу, а из нее — в различные части ландшафта.
Особую опасность в увеличении вредных выбросов в атмосферу представляют двигатели внутреннего сгорания, установленные на автомобилях, самолетах, ракетах.
Применение паровых турбин на электростанциях требует много воды и больших площадей, занимаемых под пруды для охлаждения отработанного пара.
Из-за большого энергопотребления в ряде регионов планеты возможность самоочищения их воздушных бассейнов оказалась уже исчерпанной. Необходимость значительно снизить выброс загрязняющих веществ привела к использованию новых видов топлива, в частности к строительству атомных электростанций (АЭС).
Но на атомных электростанциях встают другие проблемы: захоронение опасных радиоактивных отходов, а также проблема безопасности. Это показала катастрофа на Чернобыльской АЭС. При решении экологических проблем, связанных с использованием тепловых машин, важнейшую роль должны играть постоянная экономия всех видов энергии, переход на энергосберегающие технологии.
Человек долго использовал двигатель внутреннего сгорания, не подозревая о его отрицательном воздействии на человека, животных, растения. Лишь в последнее время это отрицательное воздействие заметили и начали с ним бороться. Основными загрязнителями атмосферы являются автомашины, особенно грузовики. Количество и концентрация вредных веществ в выхлопах зависят от вида и качества топлива. В основном это углекислый и угарный газы, оксиды азота, гексен, пентен, кадмий, сернистый ангидрид, свинец, хлор и некоторые его соединения. Эти вещества отрицательно воздействуют на человека, животных, растения и вызывают глобальные изменения в биосфере. Теперь конкретно рассмотрим их воздействие.
Углекислый и угарный газы, оксиды серы, оксиды азота являются парниковыми газами, т. е. вызывают парниковый эффект, выражающийся в повышении температуры у поверхности Земли. Его механизм заключается в образовании атмосферной оболочки, которая отражает тепловые лучи, исходящие от Земли, не давая им уходить в космическое пространство. Это может привести к таянию льда в полярных областях и как следствие – к повышению уровня Мирового океана. Но надо сказать, что тепловой эффект почти компенсируется ледниковым эффектом. Последний вызывается слоем пылевых частиц, которые отражают тепловые лучи, идущие от Солнца, обратно в космос.
Оксиды серы с водой образуют серную кислоту, а оксид азота – азотную и азотистую кислоты. У человека они вызывают поражения кожи, обструктивный рахит, отёк лёгких. У животных также наблюдаются нарушения жизнедеятельности и даже гибель. Кадмий отрицательно воздействует на костную и половую системы, зубы. Свинец вызывает у грудных детей нарушения в ЦНС, костной системе, слуха, зрения. Один легковой автомобиль ежегодно поглощает из атмосферы больше 4 т кислорода, выбрасывает с выхлопными газами около 800 кг СО и различных углеводородов. Оксид углерода, соединяясь с гемоглобином крови, мешает нести кислород в ткани организма. Оксиды азота играют большую роль в образовании продуктов превращения углеводородов в атмосферном воздухе. Из-за неполного сгорания топлива в двигателе машины часть углеводородов превращается в сажу. Свинец – один из основных загрязнителей внешней среды.
Электрический заряд — это физическая скалярная величина, определяющая способность тел быть источником электромагнитных полей и принимать участие в электромагнитном взаимодействии. Впервые электрический заряд был введён в законе Кулона в 1785 году.
Самое простое и повседневное явление, в котором обнаруживается факт существования в природе электрических зарядов, — это электризация тел при соприкосновении[4]. Способность электрических зарядов как к взаимному притяжению, так и к взаимному отталкиванию объясняется предположением о существовании двух различных видов зарядов. Один вид электрического заряда называют положительным, а другой — отрицательным. Разноимённо заряженные тела притягиваются, а одноимённо заряженные — отталкиваются друг от друга.
При соприкосновении двух электрически нейтральных тел в результате трения заряды переходят от одного тела к другому. В каждом из них нарушается равенство суммы положительных и отрицательных зарядов, и тела заряжаются разноимённо.
При электризации тела через влияние в нём нарушается равномерное распределение зарядов. Они перераспределяются так, что в одной части тела возникает избыток положительных зарядов, а в другой — отрицательных. Если две эти части разъединить, то они будут заряжены разноимённо.
Электрическое поле — одна из составляющих электромагнитного поля; особый вид материи, существующий вокруг тел или частиц, обладающих электрическим зарядом, а также при изменении магнитного поля (например, в электромагнитных волнах). Электрическое поле непосредственно невидимо, но может быть обнаружено благодаря его силовому воздействию на заряженные тела. Основным действием электрического поля является силовое воздействие на неподвижные (относительно наблюдателя) электрически заряженные тела или частицы. Если заряженное тело фиксировано в пространстве, то оно под действием силы не ускоряется. На движущиеся заряды силовое воздействие оказывает и магнитное поле (вторая составляющая силы Лоренца).
Свойство вещества проводить электрический ток под действием электрического поля называется электропроводностью. Электропроводность вещества зависит от концентрации носителей заряда: чем выше концентрация, тем больше электропроводность. Все вещества в зависимости от электропроводности делятся на проводники, диэлектрики и полупроводники.
Проводник — тело, в котором имеются свободные носители заряда, то есть заряженные частицы, которые могут свободно перемещаться внутри этого тела. Среди наиболее распространённых твёрдых проводников известны металлы, полуметаллы, углерод (в виде угля и графита). Пример проводящих жидкостей при нормальных условиях — ртуть, электролиты, при высоких температурах — расплавы металлов. Пример проводящих газов — ионизированный газ (плазма). Некоторые вещества, при нормальных условиях являющиеся изоляторами, при внешних воздействиях могут переходить в проводящее состояние, а именно проводимость полупроводников может сильно варьироваться при изменении температуры, освещённости, легировании и т. п.
Проводниками также называют части электрических цепей — соединительные провода и шины.
Микроскопическое описание проводников связано с электронной теорией металлов. Наиболее простая модель описания проводимости известна с начала прошлого века и была развита Друде.
Проводники бывают первого и второго рода. В проводниках первого рода, к которым преимущественно относятся все металлы и их сплавы, электрический ток создается перемещением только электронов — это проводники с электронной проводимостью. Прохождение тока в них не сопровождается химическими изменениями материала проводника. Лучшими проводниками являются серебро, медь, алюминий. Проводники второго рода, или проводники с ионной проводимостью, представляют собой расплавы некоторых солей и водные растворы кислот, солей, щелочей и др. В расплавах и растворах независимо от прохождения тока происходит распад их нейтральных молекул на положительные и отрицательные ионы (электролитическая диссоциация).
Диэлектриками (изоляторами) называются вещества (материалы), в которых при нормальных условиях (невысокие температуры и отсутствие сильных электрических полей) имеется ничтожное количество свободных электрически заряженных частиц; вследствие этого они обладают ничтожной электропроводностью, которой во многих случаях можно пренебречь. К числу изоляторов относятся некоторые газы и жидкости — минеральные масла, лаки, а также большое число твердых материалов, за исключением металлов, их сплавов и угля. Однако при некоторых условиях, например при действии высоких температур или сильных электрических полей, в диэлектриках возможны расщепление молекул на ионы и потеря ими изолирующих свойств.
Полупроводники (полупроводящие вещества или материалы) по своей электропроводности занимают промежуточное место между проводниками и изоляторами. К полупроводникам относятся кремний, германий, теллур, селен, окислы металлов, соединения металлов с серой и т. д.
Полупроводники обладают рядом характерных свойств, электропроводность их и концентрация свободных носителей заряда в сильной степени зависят от температуры, освещенности, электрических полей, примесей и др. Отличительные особенности полупроводников объясняются тем, что кроме электронной электропроводности, вызываемой электронами проводимости, они обладают еще так называемой дырочной электропроводностью. Последняя вызвана перемещением под действием электрического поля «дырок», т. е. не занятых валентными электронами мест в атомах (из-за перемещения от атома к атому валентных электронов), что равноценно перемещению положительно заряженных частиц, заряды которых по абсолютному значению равны зарядам электронов.
2. Постоянный и переменный электрический ток
Электрический ток - упорядоченное движение заряженных частиц под действием сил электрического поля или сторонних сил.
За направление тока выбрано направление движения положительно заряженных частиц.
Электрический ток называют постоянным, если сила тока и его направление не меняются с течением времени.
Основной характеристикой электрического тока является сила тока – количество заряда, пересекающее поперечное сечение проводника за единицу времени. Iср = Δq/Δt или для мгновенной силы тока : I = dq/dt. Единицей измерения силы тока является ампер (A). 1 ампер – сила тока, когда заряд 1 кулон проходит через поперечное сечение проводника за 1 секунду. Обычно за направление электрического тока в проводнике принимают направление движения положительных зарядов.
Другой величиной, характеризующей электрический ток, является плотность тока – сила тока, приходящаяся на единицу площади проводника. Измеряется в амперах на квадратный метр: J = I/S.
Основным законом, описывающим постоянный электрический ток, является закон Ома: сила тока в проводнике прямо пропорциональна разности потенциалов между его концами, или электрическому напряжению (U): I = U/R.
Величина R называется электрическим сопротивлением. Сопротивление является свойством проводников препятствовать прохождению через него электрического тока, при этом электрическая энергия превращается в тепловую энергию. Сопротивление возникает из-за столкновения заряженных частиц (носителей тока) с внутренними структурами проводника – атомами и молекулами. Единицей измерения сопротивления является Ом. Обратная величина сопротивлению называется электрической электропроводностью (D).
При наличии тока в проводнике совершается работа против сил сопротивления. Эта работа выделяется в виде тепла. Мощностью тепловых потерь называется величина, равная количеству выделившегося тепла в единицу времени. Согласно закону Джоуля — Ленца мощность тепловых потерь в проводнике пропорциональна силе протекающего тока и приложенному напряжению.
Мощность измеряется в ваттах.
Переменный ток (англ. alternating current — переменный ток) — электрический ток, который периодически изменяется по модулю и направлению.
Переменный ток имеет большие преимущества перед постоянным током. Генераторы переменного тока проще по устройству, надежнее в работе и строятся гораздо большей мощности и на большее напряжение, чем генераторы постоянного тока. Но главное преимущество переменного тока состоит в том, что его легко можно преобразовывать из одного напряжения в другое при помощи трансформаторов, которые не имеют вращающихся частей и поэтому проще машин. Для получения переменного тока используют источники электрической энергии, создающие переменную электродинамическую систему, периодически изменяющуюся по величине и направлению; такие источники называются генераторами переменного тока. Простейшим генератором переменного тока может служить виток, вращающийся в равномерном магнитном поле. Для передачи тока на большие расстояния в начале линии его преобразуют в ток высокого напряжения в несколько сотен тысяч вольт, а в конце снова понижают до тысяч и сотен вольт. При одной и той же мощности при повышении напряжения во столько же раз понижается сила тока, что дает возможность передавать большие мощности по относительно тонким проводам с небольшими потерями энергии.
Электрический генератор — это устройство, в котором неэлектрические виды энергии (механическая, химическая, тепловая) преобразуются в электрическую энергию.
Первый генератор электрического тока, основанный на явлении электромагнитной индукции, был построен в 1832 г. парижскими техниками братьями Пиксии. Этим генератором трудно было пользоваться, так как приходилось вращать тяжелый постоянный магнит, чтобы в двух проволочных катушках, укрепленных неподвижно вблизи его полюсов, возникал переменный электрический ток.
В 1870 г. бельгиец Зеноб Грамм, работавший во Франции, создал генератор, получивший широкое применение в промышленности. В своей динамо-машине он использовал принцип самовозбуждения и усовершенствовал кольцевой якорь, изобретенный еще в 1860 г. А. Пачинотти. Пройдя ряд менее значимых открытий, динамо-машина стала прообразом, из которого появились дальнейшие изобретения, такие как двигатель постоянного тока, генератор переменного тока, синхронный двигатель, роторный преобразователь.
До того, как была открыта связь между электричеством и магнетизмом, использовались электростатические генераторы, которые работали на основе принципов электростатики. Они могли вырабатывать высокое напряжение, но имели маленький ток.
3. Магнитное поле тока и действие магнитного поля на проводник с током. Электродвигатель.
Магнитное поле — силовое поле, действующее на движущиеся электрические заряды и на тела, обладающие магнитным моментом, независимо от состояния их движения, магнитная составляющая электромагнитного поля.
Магнитное поле создается (порождается) током заряженных частиц, или изменяющимся во времени электрическим полем, или собственными магнитными моментами частиц (последние для единообразия картины могут быть формальным образом сведены к электрическим токам). Магнитное поле возникает в пространстве, окружающем проводники с током, подобно тому, как в пространстве, окружающем неподвижные электрические заряды, возникает электрическое поле. Магнитное поле постоянных магнитов также создается электрическими микротоками, циркулирующими внутри молекул вещества (гипотеза Ампера). Магнитное поле токов принципиально отличается от электрического поля. Магнитное поле, в отличие от электрического, оказывает силовое действие только на движущиеся заряды (токи). Для описания магнитного поля необходимо ввести силовую характеристику поля, аналогичную вектору напряженности электрического поля. Такой характеристикой является вектор магнитной индукции Вектор магнитной индукции определяет силы, действующие на токи или движущиеся заряды в магнитном поле. За положительное направление вектора принимается направление от южного полюса S к северному полюсу N магнитной стрелки, свободно устанавливающейся в магнитном поле. Таким образом, исследуя магнитное поле, создаваемое током или постоянным магнитом, с помощью маленькой магнитной стрелки, можно в каждой точке пространства определить направление вектора Такое исследование позволяет представить пространственную структуру магнитного поля.
Магнитное поле действует с некоторой силой на любой проводник с током, находящийся в нем.
Если проводник, по которому протекает электрический ток подвесить в магнитном поле, например, между полюсами магнита, то магнитное поле будет действовать на проводник с некоторой силой и отклонять его. Направление движения проводника зависит от направления тока в проводнике и от расположения полюсов магнита.
Сила, действующая на проводник с током в магнитном поле, называется силой Ампера.
Сила действия однородного магнитного поля на проводник с током
прямо пропорциональна силе тока, длине проводника,
модулю вектора индукции магнитного поля,
синусу угла между вектором индукции магнитного поля и проводником:
F=B.I.ℓ. sin a — закон Ампера.
Электродвигатель – это устройство для эффективного преобразования электрической энергии в механическую.
В основе этого преобразования лежит магнетизм. В электродвигателях используются постоянные магниты и электромагниты, кроме того, используются магнитные свойства различных материалов, чтобы создавать эти удивительные устройства.
Преимущества электродвигателей:
4. Электромагнитные волны. Радиосвязь и телевидение.
Между изменяющимися во времени электрическим и магнитным полем существует взаимосвязь: переменное магнитное поле порождает вихревое электрическое (электромагнитная индукция), а переменное электрическое поле порождает вихревое магнитное (магнитоэлектрическая индукция). В результате возникает единое электромагнитное поле.
Электромагнитная волна – возмущение электромагнитного поля, распространяющееся в пространстве. Максвелл предсказал существование электромагнитных волн в 1864 г. Экспериментально их обнаружил Герц в 1887 г. Источником электромагнитных волн стал прямолинейный проводник с промежутком посередине, обладающий свойствами колебательного контура (вибратор Герца). Высокое напряжение, подаваемое к промежутку, вызывало искровой разряд. Такой же разряд возникал в другом вибраторе, концы которого были замкнуты, находящемся на некотором расстоянии от первого. Электромагнитное излучение первого вибратора дошло до второго.
Электромагнитные волны существуют и обладают следующими свойствами:
Спектр электромагнитных волн имеет широкий диапазон частот от 0 до 3·1022 Гц
Основные характеристики: частота, длина, скорость, энергия.
Основные свойства: отражение, преломление, интерференция, дифракция, поляризация.
Основные отличия: а) способы получения; б) характерные свойства; в) области применения.
Независимо от природы электромагнитные волны обладают общими свойствами. На скорость и характер распространения электромагнитных волн существенно влияет среда, в которой они распространяются. Электромагнитные волны могут испытывать преломление, в реальных средах имеет место дисперсия волн, вблизи неоднородностей наблюдаются дифракция волн, интерференция волн, полное внутреннее отражение и другие явления, свойственные волнам любой природы.
(((ДИСПЕ́РСИЯ ВОЛН, зависимость фазовой скорости гармонических волн в среде от частоты их колебаний. Дисперсия волн наблюдается для волн любой природы. Наличие дисперсии волн приводит к искажению формы сигнала (напр., звукового импульса) при распространении в среде. Дисперсия света наблюдается в виде разложения света в спектр, напр. при прохождении его сквозь стеклянную призму. )))
Если среда неоднородна или содержит поверхности, на которых изменяются ее электрические или магнитные свойства, или если в пространстве имеются проводники, то тип возбуждаемых и распространяющихся электромагнитных волн может существенно отличаться от плоской линейно-поляризованной волны. Электромагнитные волны могут распространяться вдоль направляющих поверхностей (поверхностные волны), в передающих линиях и в полостях, образованных хорошо проводящими стенками.
Электромагнитные волны в настоящее время широко применяются в различных областях радиоэлектроники (отрасль науки и техники, использующая электромагнитные волны для передачи, приема и преобразования информации): радиосвязь, радиовещание, телевидение, радиолокация, радиоуправление, радиотелеметрия, радиометеорология, радиоразведка и др.
Остановимся на принципах современной радиотелефонной связи.
Радиосвязь – передача и приём информации с помощью радиоволн, распространяющихся в пространстве без проводов. Длинные и средние волны огибают поверхность Земли и отражаются от ионосферы и от поверхности Земли. Короткие волны отражаются от ионосферы и от Земли. УКВ распространяются прямолинейно (телевидение и радиолокация)
Радиопередачи стали возможны после создания генератора незатухающих колебаний. При радиотелефонной связи колебания давления воздуха в звуковой волне с помощью микрофона превращаются в электрические колебания той же формы. Трудность передачи звукового сигнала состоит в том, что для радиосвязи необходимы колебания высокой частоты, а колебания звукового диапазона — низкочастотные колебания, для излучения которых невозможно построить эффективные антенны. Поэтому колебания звуковой частоты приходится тем или иным способом накладывать на колебания высокой частоты, которые уже переносят их на большие расстояния.
Радиопередающее устройство содержит следующие основные элементы (рис. 1): Г — задающий генератор колебаний высокой частоты, преобразующий энергию источника постоянного напряжения в гармонические колебания высокой частоты. Частоту этих колебаний называют несущей. Она должна быть строго постоянной;
МК — преобразователь сообщений в электрический сигнал, используемый для модуляции колебаний несущей частоты. Вид преобразователя зависит от физической природы передаваемого сигнала: при звуковом сигнале преобразователем является микрофон, при передаче изображений — передающая телевизионная трубка:
Μ — модулятор, в котором происходит модуляция высокочастотного сигнала в соответствии с частотой звукового сигнала, несущего информацию, подлежащую передаче;
УВЧ — обычно имеется один или два каскада усилителя мощности модулированного сигнала;
Α1 — излучающая антенна, предназначенная для излучения электромагнитных волн в окружающее пространство.
Виды радиосвязи:
Телевидение (греч. — далеко и лат. video — вижу; от новолатинского televisio — дальновидение) — комплекс устройств для передачи движущегося изображения и звука на расстояние.
Телевидение основано на принципе последовательной передачи элементов[1] изображения с помощью радиосигнала или по проводам. Разложение изображения на элементы происходит при помощи диска Нипкова, электронно-лучевой трубки или полупроводниковой матрицы. Количество элементов изображения выбирается в соответствии с полосой пропускания радиоканала и физиологическими критериями. Для сужения полосы передаваемых частот и уменьшения заметности мерцания экрана телевизора применяют чересстрочную развёртку. Также она позволяет увеличить плавность передачи движения.
Телевизионный тракт в общем виде включает в себя следующие устройства:
Кроме того, для создания телевизионной передачи используется звуковой тракт, аналогичный тракту радиопередачи. Звук передаётся на отдельной частоте обычно при помощи частотной модуляции, по технологии, аналогичной FM-радиостанциям. В цифровом телевидении звуковое сопровождение, часто многоканальное, передается, в общем, с изображением потоке данных.
Электромагнитная природа света получила признание после опытов Г. Герца (1887–1888 гг.) по исследованию электромагнитных волн.
Свет играет чрезвычайно важную роль в нашей жизни. Подавляющее количество информации об окружающем мире человек получает с помощью света. Однако в оптике как разделе физике под светом понимают не только видимый свет, но и примыкающие к нему широкие диапазоны спектра электромагнитного излучения – инфракрасный (ИК) и ультрафиолетовый (УФ). По своим физическим свойством свет принципиально неотличим от электромагнитного излучения других диапазонов – различные участки спектра отличаются друг от друга только длиной волны λ и частотой ν.
Свойства света как электромагнитной волны:
1. При распространении света в каждой точке пространства происходят периодически повторяющиеся изменения электрического и магнитного полей. Свет — поперечная волна.
2. Период света как электромагнитной волны (частота) равен периоду (частоте) колебаний источника электромагнитных волн.
3. Свет является носителем энергии, причем перенос энергии совершается в направлении распространения волны.
4. Свет, как и другие волны, распространяются прямолинейно в однородной среде, испытывают преломление при переходе из одной среды во вторую, отражаются от металлических преград. Для них характерны явления дифракции и интерференции.
ДИФРА́КЦИЯ ВОЛН (от лат. diffractus — разломанный), огибание волнами различных препятствий. Дифракция волн свойственна всякому волновому движению; имеет место, если размеры препятствия порядка длины волны или больше.
Дифракция волн может проявляться:
ИНТЕРФЕРЕ́НЦИЯ ВОЛН, явление, наблюдающееся при одновременном распространении в пространстве нескольких волн и состоящее в стационарном (или медленно изменяющемся) пространственном распределении амплитуды и фазы результирующей волны.
Явление интерференции происходит при взаимодействии двух и более волн одинаковой частоты, распространяющихся в различных направлениях. При этом оно наблюдается и у волн, распространяющихся в средах, и у электромагнитных волн.
То есть интерференция является свойством волн как таковых и не зависит ни от свойств среды, ни от ее наличия. Чтобы понять ее механизм, проще всего вернуться к примеру волн на водной поверхности и представить себе, что каждая волна несет в себе инструкцию для элементов поверхности, например «подняться на 1 метр» или «опуститься на 30 см». В точке взаимодействия двух волн поверхность просуммирует две такие инструкции — в данном примере, она поднимется на 70 см (1 метр минус 30 см).
Тема 6. Фундаментальные взаимодействия
и элементарные частицы (2 часа)
На тела действует множество сил: сила ветра или потока воды; давление воздуха; мощный выброс взрывающихся химических веществ; мускульная сила человека; вес предметов; давление квантов света; притяжение и отталкивание электрических зарядов; сейсмические волны; вулканические извержения. Одни силы действуют непосредственно при контакте с телом, другие (гравитация) действуют на расстоянии, через пространство. Но все действующие в природе силы можно свести к четырем фундаментальным взаимодействия.
В порядке возрастания интенсивности это: гравитационное взаимодействие; слабое взаимодействие; электромагнитное взаимодействие; сильное взаимодействие. Они отвечают за все изменения в природе, являются источником всех преобразований материальных тел, процессов. Каждое из четырех фундаментальных взаимодействий имеет сходство с тремя остальными и в то же время свои отличия.
В середине XIX в. с созданием теории электромагнитного поля выяснилось, что передача взаимодействия осуществляется не мгновенно (принцип дальнодействия), а с конечной скоростью посредством некоторого посредника - непрерывно распределенного в пространстве поля (принцип близкодействия). Скорость распространения электромагнитного поля равна скорости света.
В 1 четверти XX в., в свете квантово-волнового дуализма стало ясным, что любое поле является не непрерывным, а имеет дискретную структуру, ему должны соответствовать определенные частицы - кванты. При обмене фотонами появляется электромагнитное поле. Фотоны также являются переносчиками электромагнитного взаимодействия.
Другие виды фундаментальных взаимодействий также имеют свои поля и соответствующие частицы, переносящие это полевое взаимодействие.
Гравитация. Гравитация обладает рядом особенностей, резко отличающих ее от других фундаментальных взаимодействий. Наиболее удивительной особенностью гравитации является ее малая интенсивность. Гравитационное взаимодействие в 1039 раз меньше силы взаимодействия электрических зарядов и при описании взаимодействий элементарных частиц оно обычно не учитывается. В микромире гравитация ничтожна.
Второй удивительной чертой является универсальность. Ничто во Вселенной не может избежать гравитации. Каждая частица испытывает на себе действие гравитации и сама является источником гравитации, вызывая гравитационное притяжение. Гравитация возрастает по мере образования все больших скоплений вещества. И хотя притяжение одного атома мало, но результирующая сила притяжения со стороны всех атомов может быть значительной.
Третья черта — дальнодействующая сила природы. Хотя интенсивность гравитационного взаимодействия убывает с расстоянием, оно распространяется в пространстве и может сказываться на весьма удаленных от источника телах. Благодаря дальнодействию гравитация не позволяет Вселенной развалиться на части: она удерживает планеты на орбитах, звезды в галактиках, галактики в скоплениях, скопления в Метагалактике.
Сила гравитации, действующая между частицами, всегда представляет собой силу притяжения: она стремится сблизить частицы. Гравитационное отталкивание еще никогда не наблюдалось.
Квантовые свойства гравитации проявляют себя и очень сильных гравитационных полях, где происходят квантовые процессы рождения частиц (точка сингулярности, начальные моменты возникновения Вселенной, гравитационный коллапс, черные дыры).
Электромагнетизм. По величине электрические силы намного превосходят гравитационные, поэтому их можно легко наблюдать. Электромагнетизм известен людям с незапамятных времен (полярные сияния, вспышки молнии и др.). Но долгое время электрические и магнитные явления изучались независимо друг от друга. И только в середине XIX в. Дж. К. Максвелл объединил учения об электричестве и магнетизме в единой теории электромагнитного поля. А в 1890-е г.г. было установлено существование электрона (единицы электрического заряда). Но не все элементарные частицы являются носителями электрического заряда. Электрически нейтральны, например, фотон и нейтрино. Этим электричество отличается от гравитации. Все материальные частицы создают гравитационное поле, тогда как, с электромагнитным полем связаны только заряженные частицы.
Как и электрические заряды, одноименные магнитные полюсы отталкиваются, а разноименные - притягиваются. Но в отличие от электрических зарядов магнитные полюсы встречаются не по отдельности, а только парами - северный полюс и южный. Некоторые современные теории допускают возможность существования магнитного монополя.
Электромагнитное поле неподвижных или равномерно движущихся заряженных частиц неотрывно от этих частиц. Но при ускоренном движении частиц электромагнитное поле «отрывается» от них и участвует в независимой форме электромагнитных волн. При этом радиоволны, инфракрасное излучение, видимый свет, ультрафиолетовое излучение, рентгеновское излучение и гамма-излучение представляют собой электромагнитные волны различной частоты.
Электромагнитное взаимодействие (как и гравитация) является дальнодействующим, оно ощутимо на больших расстояниях от источника. Как и гравитация, оно подчиняется закону обратных квадратов. Электромагнитное взаимодействие проявляется на всех уровнях материи — в мегамире, макромире и микромире.
Электромагнитное поле Земли простирается далеко в космическое пространство, мощное поле Солнца заполняет всю Солнечную систему; существуют и галактические электромагнитные поля. В то же время электромагнитное взаимодействие определяет структуру атомов и молекул (положительно заряженное ядро и отрицательно заряженные электроны). Оно отвечает за подавляющее большинство физических и химических явлений и процессов (за исключением ядерных): силы упругости, трения, поверхностного натяжения, им определяются свойства агрегатных состояний вещества, химических превращений, оптические явления, явления ионизации, многие реакции в мире элементарных частиц и др.
Слабое взаимодействие. Оно ответственно за распады частиц, поэтому с его проявлением столкнулись при открытии радиоактивности и исследовании β-распада.
У β-распада обнаружилась, что часть энергии куда-то исчезает. Чтобы «спасти» закон сохранения энергии, В. Паули предположил, что при β-распаде вместе с электроном вылетает, унося с собой недостающую энергию, еще одна частица. Она — нейтральная и обладает необычайно высокой проникающей способностью, вследствие чего ее не удавалось наблюдать. Э. Ферми назвал частицу-невидимку «нейтрино».
Входящие в состав ядра нейтроны, предоставленные самим себе, через несколько минут распадаются на протон, электрон и нейтрино.
Слабое взаимодействие по величине значительно меньше всех взаимодействий, кроме гравитационного. Там, где оно присутствует, его эффекты оказываются в тени электромагнитного и сильного взаимодействий. Слабое взаимодействие распространяется на очень незначительные расстояния. Радиус слабого взаимодействия очень мал (10-16 см), потому оно не может влиять не только на макроскопические, но даже на атомные объекты и ограничивается субатомными частицами. По сравнению с электромагнитным и сильным взаимодействиями оно протекает чрезвычайно медленно.
Слабое взаимодействие играет в природе очень важную роль - является составной частью термоядерных реакций на Солнце, звездах, обеспечивая синтез пульсаров, взрывов сверхновых звезд, синтез химических элементов в звездах и др.
Сильное взаимодействие. Является источником огромной энергии (на Солнце). В недрах Солнца и звезд непрерывно протекают термоядерные реакции, вызываемые сильным взаимодействием (при существенном участии и слабого взаимодействия). Но и человек научился вызывать сильное взаимодействие: создана водородная бомба, сконструированы и совершенствуются технологии управляемой термоядерной реакции.
По своей величине сильное взаимодействие существенно превосходит все остальные фундаментальные взаимодействия, за пределами ядра оно не ощущается. Сильное взаимодействие проявляется на расстоянии, определяемом размерами ядра, т.е. примерно 10-13 см.
Главная функция сильного взаимодействия в природе — создание прочной связи между нуклонами (протонами и нейронами) в ядрах атомов. При этом столкновение ядер или нуклонов, обладающих высокими энергиями, приводит к разнообразным ядерным реакциям, в том числе реакции термоядерного синтеза на Солнце, которая является основным источником энергии на Земле.
Сильное взаимодействие испытывают протоны и нейтроны, но электроны, нейтрино и фотоны не подвластны ему. В сильном взаимодействии участвуют обычно только тяжелые частицы.
Среди физиков зреет убеждение, что начинают вырисовываться контуры единой теории сильного, слабого и электромагнитного взаимодействий - Великого объединения. А там не за горами и единая теория всех фундаментальных взаимодействий — Супергравитация.
Но я в твоем «ничто» надеюсь, кстати,
Достать и все посредством тех же чар.
А. Гёте «Фауст»
Весь наш мир мы условно делим на три уровня – мегамир, макромир и микромир. Мегамир – это космические системы и неограниченные масштабы. Макромир – это макроскопические тела размером от 10-6 до 107 см. Микромир сам делится на два подуровня: атомно-молекулярный (10-8-10-7 см) и квантовый (область, порядка 10-15 см). Это деление мира на уровни весьма условно, и все же процессы микромира нельзя рассматривать так же, как макропроцессы в неком уменьшенном масштабе, поскольку явления микромира подчиняются другим закономерностям и изменяются на основе иных принципов. Еще с древнейших времен человек пытался познать первооснову мира, то, из чего состоит все. Ранее такой основой считались атомы. Затем выяснилось, что атомы и даже атомные ядра делимы. Элементарными (субъядерными) частицами называют такие частицы, которые не удается расщепить на составные части. Они подразделяются на стабильные и нестабильные. Всем элементарным частицам присущи такие основные черты:
1. частицы, пока существуют, неизменны.
2. частицы одного сорта абсолютно одинаковы, неразличимы;
3. частицы могут рождаться и исчезать.
Изучение элементарных частиц показало, что они рождаются и уничтожаются при взаимодействии с другими элементарными частицами. Кроме того, они могут спонтанно распадаться. Все эти преобразования частиц (распад, рождение, уничтожение) реализуются через последовательные акты поглощения и испускания частиц.
Свойства частиц многообразны. Каждой частице соответствует своя античастица, отличающаяся от нее лишь знаком заряда. Для частиц с нулевыми значениями всех зарядов античастица совпадает с частицей (например, фотон). Каждая элементарная частица характеризуется собственным набором значений определенных физических величин - масса, электрический заряд, спин, время жизни частицы, магнитный момент, пространственная четность, лептонный заряд, барионный заряд и др.
Общие характеристики всех частиц: масса, время жизни, спин. Когда говорят о массе частицы, имеют в виду ее массу покоя, поскольку она не зависит от состояния движения. Частица, имеющая нулевую массу покоя, движется со скоростью света (фотон). Нет двух частиц с одинаковыми массами. Электрон - самая легкая частица с ненулевой массой покоя. Протон и нейтрон тяжелее электрона почти в 2000 раз. А самая тяжелая из полученных в ускорителях элементарных частиц (Z-бозон) обладает массой, в 200 000 раз большей массы электрона.
Спин - собственный момент импульса частицы. Протон, нейтрон и электрон имеют спин 1/2, а спин фотона равен 1. Известны частицы со спином 0, 3/2,2. Частица со спином 0 при любом угле поворота выглядит одинаково. Частица со спином 1 принимает тот же вид после полного оборота на 360°. Частица со спином 1/2 приобретает прежний вид после оборота на 720° и т.д. Частица со спином 2 (гипотетический гравитон) принимает прежнее положение через пол-оборота (1809). В зависимости от спина все частицы делятся на две группы:
бозоны — частицы с целыми спинами 0, 1 и 2;
фермионы — частицы с полуцелыми спинами (1/2, 3/2). (Частицы со спином более 2, возможно, вообще не существуют).
Частицы характеризуются и временем жизни. Стабильные частицы — это электрон, протон, фотон и нейтрино (до конца пока не решен вопрос о стабильности протона, возможно, он распадается за 1030 лет). Нейтрон стабилен, когда находится в ядре атома, но свободный нейтрон распадается примерно за 15 мин. Все остальные известные частицы нестабильны; время их жизни колеблется от нескольких микросекунд до 10-24 с. Самые нестабильные частицы резонансы. Время их жизни 10-22—10~24 с.
4,5. Классификация и характеристики
элементарных частиц
Все свойства частицы определяются ее способностью (или неспособностью) участвовать в сильном взаимодействии. Частицы, участвующие в сильном взаимодействии, образуют особый класс и называются адронами. Частицы, участвующие преимущественно в слабом взаимодействии и не участвующие в сильном, называются пептонами. Кроме того, существуют частицы — переносчики взаимодействий.
Лептоны (12). Ведут себя как точечные объекты, не обнаруживая внутренней структуры даже при сверхвысоких энергиях. Они являются элементарными объектами, т.е. они не состоят из каких-то других частиц. Могут иметь электрический заряд, а могут и не иметь, спин у всех у них равен 1/2.
Среди лептонов наиболее известен электрон. Электрон — это первая из открытых элементарных частиц. Электрон - носитель наименьшей массы и наименьшего электрического заряда (не считая кварков) в природе.
Другой хорошо известный лептон – нейтрино, являются наиболее распространенными частицами во Вселенной, но изучать их очень сложно. Нейтрино почти неуловимы; обладают огромной проникающей способностью (особенно при низких энергиях); не участвуют ни в сильном, ни в электромагнитном взаимодействиях; проникают через вещество.
Вопрос о массе еще не решен.
Широко распространены в природе мюоны, на долю которых приходится значительная часть космического излучения. Мюон — одна из первых известных нестабильных субатомных частиц, открытая в 1936 г. Напоминает электрон: имеет тот же заряд и спин, участвует в тех же взаимодействиях, но имеет большую массу и нестабилен. Примерно за две миллионные доли секунды мюон распадается на электрон и два нейтрино. Проникая в вещество, мюоны взаимодействуют с ядрами и электронами атомов и образуют необычные соединения. Положительный мюон, присоединяя к себе электрон, образует систему, аналогичную атому водорода - мюоний, химические свойства которого во многом подобны свойствам водорода. А отрицательный мюон может замещать на электронной оболочке один из электронов, образуя так называемый мезоатом. В мезоатоме мюоны расположены в сотни раз ближе к ядру, чем электроны. Это позволяет использовать мезоатом для изучения формы и размеров ядра.
В конце 1970-х гг. был обнаружен τ-лептон - очень тяжелая частица. Ее масса около 3500 масс электрона, но во всем остальном он ведет себя подобно электрону и мюону.
Адроны (сотни). Большинство из них - резонансы, т.е. крайне нестабильные частицы, построены из более мелких частиц.
Все адроны встречаются в двух разновидностях — электрически заряженные и нейтральные. Известны и широко распространены нейтрон и протон. Остальные адроны быстро распадаются.
Адроны подразделяются на два класса. Это — класс барионов (тяжелые частицы) (протон, нейтрон, гипероны и барионные резонансы) и семейство более легких мезонов (мюоны, бозонные резонансы и др.).
На сегодняшний день кварки и антикварки считаются неделимыми, их по 6 типов, которые называются «ароматами» (flowers): u (up), d (down), с (charm), s (strangeness), t (top) и b (bottom). Самое необычное свойство кварков заключается в том, что они существуют только внутри адронов и не наблюдаются как самостоятельно существующие частицы.
Частицы - переносчики взаимодействий. Они не являются строительным материалом материи, а непосредственно обеспечивают фундаментальные взаимодействия, т.е. не позволяют материи распадаться на части.
Переносчиком электромагнитного взаимодействия выступает фотон.
Глюоны (их всего восемь) - переносчики сильного взаимодействия между кварками, которые, благодаря глюонам, связываются парами или тройками
Переносчиками слабого взаимодействия являются три частицы— W+-, W--, Z0- бозоны (открыты в 1983 г). Радиус слабого взаимодействия чрезвычайно мал, поэтому его переносчиками должны быть частицы с большими массами покоя. В соответствии с принципом неопределенности время жизни частиц с такой большой массой покоя должно быть чрезвычайно коротким — всего лишь около 1026 с.
Возможно существование и переносчика гравитационного поля — гравитона. Они движутся со скоростью света; т.е. это частицы с нулевой массой покоя. Но в то время как фотон имеет спин 1, спин гравитона равен 2.
При электромагнитном взаимодействии одноименно заряженные частицы (электроны) отталкиваются, а при гравитационном — все частицы притягиваются друг к другу.
Каждая группа этих переносчиков взаимодействий характеризуется своими специфическими законами сохранения. А каждый закон сохранения может быть представлен как проявление определенной внутренней симметрии уравнений поля (движения). Это обстоятельство используется для построения единой теории фундаментальных взаимодействий.
Каждый вид частиц играет свою роль в формировании структуры материи, Вселенной.