«Проскурин Сергей Геннадьевич к.ф-м.н, доцент 2012 Проскурин С.Г. КСЕ АННОТАЦИЯ В данной работе рассматриваются вопросы современного естествознания, которые студентам гуманитарных специальностей понимать сложнее. Особое ...»

КОНЦЕПЦИИ СОВРЕМЕННОГО

ЕСТЕСТВОЗНАНИЯ

УЧЕБНОЕ ПОСОБИЕ

Проскурин Сергей Геннадьевич

к.ф-м.н, доцент

2012

Проскурин С.Г. КСЕ

АННОТАЦИЯ

В данной работе рассматриваются вопросы современного естествознания,

которые студентам гуманитарных специальностей понимать сложнее. Особое внимание уделяется расшифровке слов иностранного происхождения, часто используемых в качестве научной терминологии. В большинстве глав, наряду с общепринятыми концепциями традиционно излагаемыми в учебниках, рассматриваются и результаты научных исследований последнего десятилетия.

Предмет представлен на стыке естественных наук (астрономия, физика, химия, биология...) и философии науки. Естественнонаучный подход отделяется от гуманитарного подхода и от других сфер человеческой культуры (религия, искусство, политика, идеология).

Данная работа является изложением читаемого курса лекций «Концепции современного естествознания». Некоторые необходимые рисунки не приведены, они даются на лекциях и семинарах. Иллюстрации взяты на веб-сайтах журналов «В мире науки» и «Наука и жизнь», а также из энциклопедий:

«Большая советская энциклопедия», «Энциклопедия Брокгауза и Эфрона», «Большая энциклопедия Кирилла и Мефодия», «Wikipedia», «Nationmaster», «Britannica».

Слова выделенные курсивом подробно рассмотрены в приложении к курсу – Глоссарии.

Проскурин С.Г. КСЕ

СОДЕРЖАНИЕ

1. Предисловие 2. Предмет курса 3. Религия, искусство, философия, наука 4. Астрономия, первая и вторая научные революции Первая научная революция Начало современной астрономии Закон всемирного тяготения Законы Ньютона Вторая научная революция.

Построение эксперимента Современная астрономия 5. Термодинамика Движение тепла Классическая термодинамика Первое начало Коэффициент полезного действия Второе начало термодинамики Третье начало Современная термодинамика Кризис классического естествознания 6. Электричество и магнетизм Электрический заряд Электромагнитное поле Уравнения Максвелла Электромагнитное излучение Энергия кванта 7. Химия Роберт Бойль Кислород Атомы и молекулы Соединения переменного состава Синтез органических веществ Структура вещества, химические системы Таблица Менделеева Электрохимия Искусственные полимеры 8. Физика микромира Структурные уровни материи Третья научная революция Принцип неопределнности Волновая механика 9. Теория относительности Преобразования Лоренца Специальная теория относительности Современное представление о массе Причинно-следственная связь Общая теория относительности Термодинамика чрных дыр 10. Физика атомного ядра Неизвестное излучение Типы радиоактивного излучения Биологическое действие радиоактивности 11. Происхождение жизни Процессы самоорганизация Концепции возникновения жизни Химическое состав живых систем Условия возникновения жизни Возникновение органических молекул во Вселенной Нуклеиновые и аминокислоты Возникновение клетки Отличия живых систем от неживых 12. Эволюция видов и происхождение человека Археологические находки Вымирание динозавров 13. Литература Дополнительная литература 14. Вопросы к зачту 15. Темы рефератов 16. Глоссарий

ПРЕДИСЛОВИЕ

Наука является относительно новой сферой человеческой деятельности.

Традиционно считается, что наука, в е современном понимании, возникла в Европе в XVI – XVII веках нашей эры. Однако в течении последних трх, четырх десятилетий историки и философы науки находят больше, и больше доказательств о вкладе Древней Индии, Древнего Китая, Арабских стран в развитие и становление европейской науки. Стоит только упомянуть изобретение компаса, бумаги, пороха и фарфора в Китае, открытия арабских астрономов и арабские цифры, которые мы с вами обычно используем.

Все эти ставшие привычными вещи не рождались сами по себе, а являются результатом труда конкретных людей, а чаще результатом группы людей. Даже если в истории какого-либо открытия мы находим одно или два имени авторов, то надо понимать, что как правило за этим стоит работа целой группы исследователей. Говоря современным языком, научные и научно-технические достижения, как правило, являются результатом коллективного творчества.

Например, метод наименьших квадратов (МНК) в 1805-1806 предложил и применил известный французский математик Адриен Лежандр (1752-1833), далее этот метод исследовал и развивал известный немецкий математик Карл Гаусс (1777-1855). Однако, мало кто знает, что в современном виде этот метод используется в трактовке, которую дали российские математики, Андрей Андреевич Марков (1856-1922) и Андрей Николаевич Колмогоров (1903-1987).

Именно эти математики дали строгое математическое обоснование с чтко определнными границами применимости. Заметим, что ни один учебник не дат авторства этого метода.

Вернмся к арабским цифрам, на самом деле эти цифр впервые встречаются в Древней Индии, они были найдены археологами на древних глиняных черепках, датируемых 2-3 веком до нашей эры. Семью веками позже через арабский мир, через Северную Африку, Венецию, Италию и Испанию, эти цифры пришли в Европу. Именно поэтому мы и называем их арабскими.

Естественно эти цифры были придуманы и записывались определнными людьми, тем не менее их имена истории неизвестны.

Заметим, что сравнить арабские и римские цифры то можно обнаружить, что первой арабской цифрой является «ноль», а первой римской «единица». «Ноль»

имеет важный мировоззренческий и математический смысл, это некоторая несуществующая абстракция. На индийских черепках она обозначающаяся кружочком, обозначающим отсутствие исчисляемых предметов. В римских цифрах вообще нет нуля, такой «абстракции» в Древнем Риме не придумали. На самом деле римские цифры являются комбинациями букв латинского алфавита:

I = 1, V = 5, X = 10, C = 100, L = 50, D = 500, М = 1000. В Средние века (V в. – 1640 г.) при развитии торговли обнаружилось, что их очень сложно складывать, вычитать, делить и умножать. Арабские цифры более удобны для этой цели и их стали повсеместно использовать. Они стали популярными вошли в культуру и, можно сказать, помогли развитию не только математики и естественных наук, но и общечеловеческой культуры в целом.

Отметим, что до наших дней в Индии сохранились сильные математические и шахматные школы. С недавнего времени в Индии развивается сильная школа программистов, которая смело конкурирует с ведущими в этой области школами из США и России.

Известно, что на рисунках итальянского художника и инженера Леонардо да Винчи (1452-1519) было изображено очень много современного. В замке Виндзор, официальной резиденции королевы Великобритании Елизаветы II, для законами Католической Церкви и инквизиции (XIIIXIX вв.), которая господствовала в это время.

(кальвинисты, лютеране) в 1542 г. Папа Пий V учредил Римскую святую инквизицию (Святую палату, находиться во дворце Святой палаты). Ключевую роль играли Джулио Антонио Сантори и кардинал Роберт Белармин. Последний был очень популярен и сегодня почитается как святой. Именно они подписали приговор (auto-da-fe) Джордано Бруно (до сих пор не реабилитирован). Обычно те кто возглавлял инквизицию становились Папами.

В 1478 г. в Испании король Фердинанд и королева Изабелла решили создать монотеистическое (католическое) государство и изгнать мусульман (арабов) и иудеев (евреев). Папа Римский Сикстус IV их поддержал, и 1 ноября 1478 г. он выпустил буллу об учреждении Испанской инквизиции.

Говоря о современном естествознании, нельзя не сказать и о современной инквизиции. В 1965 г. накануне закрытия 2-го всемирного Ватиканского собора Папа Павел VI объявил о конце четырхсотлетней инквизиции. Абсолютная власть инквизиции упразднялась и е имя изменялось на новое – «Конгрегация доктрины веры», она находится там же, во дворце Святой палаты, где проходили все суды и выносились все приговоры. Статус Святой палаты был снижен до положения обычной конгрегации (лат. congregatio – соединение).

В 1981 г. Папа Ионан Павел II назначает нового главу Святой палаты. Им стал самый молодой профессор теологии Кардинал Йозеф Ратцингер (р.1927). В 1998 г. именно он открыл архивы инквизиции для исследователей (все, но только до 1903 г.). До этого архивы были засекречены и недоступны никому вне Ватикана.

Руководство Конгрегации доктрины веры, под руководством кардинала Ратцингера, разделена на 4-е отдела. Первый – следит за чистотой католической веры (доктрины); второй – заведует наказаниями за моральные разложения (плотские грехи) среди духовенства; третий – занимается делами брака и семьи;

четвртый – исследует проявления сверхъестественного (чудеса). Католической церкви важно отделить явления природы, которые признаны церковью чудесами, от тех которые признаны только народом, и потому считаются еретическими предрассудками или суеверием.

По всем этим четырм направлениям во дворце Святой палаты и сегодня ведутся дела и выносятся приговоры. Священников и теологов отлучают от церкви, и вносят их книги в «список запрещнных книг» (Index Librorum Prohibitorum).

В 2005 г. после смерти Павла II, Кардинал Ратцингер стал Папой Римский Бенедиктом XVI, но вернмся в XVI век. Всех рисунков приписываемых Леонардо насчитывается около пяти тысяч, добавьте 7 тыс. страниц сохранившихся рукописей с его мыслями по вопросам искусства, науки и техники, не так уж мало для одного человека, и все они хранятся в личном архиве Королевы Великобритании. Многие из них до сих пор не опубликованы, и недоступны для исследований, также как и архивы инквизиции. Некоторые исследователи считают, что надписи на этих рисунках сделаны арабской вязью, и есть мнение, что Леонардо позаимствовал их из арабских стран, или кто-то позаимствовал их и приписал Леонардо.

Интересный факт – общеизвестно, что начало современной (Европейской) анатомии положил бельгийский учный Андреас Везалий (1514-1564), который проводил подробные исследования внутренностей человеческого тела и органов. В 1538-1543 годы он опубликовал трактат «О строении человеческого тела» в семи томах, Леонардо да Винчи умер в 1519 г.

Для своей работы Везалий делал вскрытия тел только тех людей, которые были приговорены к смертной казни. До этого, официально, никакие вскрытия человека в Европе не проводились, более того это было строжайше запрещено.

За свои работы Везалий сам преследовался Римско-католической церковью.

Труд Везалия считается началом анатомии – науке о строении человеческого тела.

Попытки подробно исследовать эти вопросы до наших дней наталкиваются на идеологические препоны, считается что не только наука но и вся современная цивилизация родилась в Европе в период Возрождения – Просвещения. На самом деле астрономия долгие столетия развивалась в арабском мире (территория современных Египета и Аравийского полуострова).

Считается, что бедуины (араб. бадауин. – обитатель пустынь) путешествовали по ночам, днм в пустынях очень жарко, это давало им возможность наблюдать звзды, и они учились находить дорогу ориентируясь по звздам.

Астролябия, альмагест, альманах (араб. аль-манах – календарь), альмукантарат (араб. – малый круг небесной сферы, параллельный горизонту), алидада (визирное устройство) пришли в Европу в средние века через северную Африку, Венецию, Испанию. Арабские названия звзд Альтаир, Алгол, Алькор, Альдебаран перешли без изменений во все современные языки. Алкоголь (alkuhl – тонкий порошок), алкали (al-qili – щлочь, по англ. и нем. alkali, по франц. alcali) тоже слова арабские. И вещества эти изначально тоже были придуманы и использовались в а арабском мире задолго до того как были привезены в средневековую Европу. Алгебра была придумана в арабском мире, алхимия (al-kmiy) тоже арабское слово, «аль» (al) – это артикль и в древнем и в современном арабском языке. Если его убрать, то останется просто «кемия», а это есть древнее название Египта.

Интересно, что Европейская химия долгое время развивалась в рамках того, что называлось алхимия. Основной е целью был поиск «философского камня»

и превращения неблагородных металлов в золото и серебро. Заметим, что средневековая алхимия работая в этих направлениях, получила много интересных результатов, которые до используются и в современной химии.

Для получения алкоголя было нужно разработать сложную процедуру дистилляцию (перегонку). Эта процедура используется в наше время повсеместно, но мало кто восхищается гением арабских учных. Важно, что арабы не пили алкогольные напитки тогда, не пьют их и до сих пор. Алкоголь использовался для изготовления косметических средств, а пить его начали только цивилизованные европейцы в период Возрождения (Ренессанса). Потом его стали использовать для того, чтобы спаивать колонизируемые «нецивилизованные» народы. Эти народы генетически не были связаны с Европой, и у них нет специальных ферментов (энзимов) для расщепления алкоголя. Последнее объясняет быстроту пагубного влияния алкоголя на эти народы.

Далее мы не будем исследовать вышеперечисленные вопросы. В основном, мы будем рассматривать концепции господствующие в науке в наши дни, а также коснмся истории науки.

ПРЕДМЕТ КУРСА

Естествознание можно определить, отождествляя его с естественными науками, как совокупность естественных наук – наук о природе, в отличии от гуманитарных наук – наук об обществе. Всем известен такой предмет как природоведение («веда» – наука, знание; «ведать» – знать), его вполне можно было бы использовать вместо термина естествознание.

В литературе можно найти два определения, с двух сторон подчркивающих предмет данного курса и выделяющих естествознание как отдельную дисциплину:

1. Естествознание – это наука о Природе, взятой как единое целое.

2. Естествознание – это совокупность наук о Природе, рассматриваемых в единой совокупности.

В соответствии с последним определением мы должны рассматривать классические науки: физику, химию, биологию, астрономию, геологию, а также целый ряд смежных, пересекающихся дисциплин: биофизику, биохимию, физическую химию, химическую физику, биогеохимию, астрофизику, радиоастрономию и т.п. в единой целостности. В современной науке так и происходит. Сегодня преобладают междисциплинарные исследования, новые научные направления возникают вс чаще и чаще. Например, недавно возникла и развивается такая дисциплина как виртуальная археология. Это новое направление в науке, в рамках которого на основании археологических данных проводят компьютерное моделирование исторических процессов прошедших тысячелетий.

Исследователь с физическим образованием начинающий сотрудничать с биологами и решать биологические проблемы неизбежно привносит свои методы, которые часто бывают новыми для биологов но являются довольно тривиальными и стандартными для физиков. На самом деле, «пересечение»

различных научных дисциплин, и научных направлений существует довольно давно. Говоря современным языком, на стыке наук, или на пересечении различных исследовательских программ, возникают новые и даже неожиданные результаты. Это довольно просто объяснить.

Существует такая древняя философская притча: «Один человек тмной, безлунной ночью пошл к соседу за свечами, так как у него самого свечи кончились. Возвращаясь обратно ему на голову упала черепаха и он умер». Как можно объяснить такое событие. Что это – случайность или закономерность?

Если эту историю оставить так как есть, она обрастт множеством неожиданных подробностей, легенд и будет передаваться из уст в уста и сохраняться в культуре как легенда. Однако, если подробно исследовать данное событие, то можно найти, что существовало несколько закономерных последовательностей событий или закономерных направлений развития, закономерных рядов. Первая закономерная последовательность состоит в том, что данный человек часто забывал купить свечи и по вечерам ходил к соседям за ними. Вторая, что ночь была безлунная, тмная и на обратном пути он шл с зажжнной свечй и у него блестела лысая голова. Третья, что существуют птицы, которые разбивают морских черепах о камни и едят. Находят эти камни они ночью по характерному блеску в лунном свете. При пересечении всех этих закономерных линий, рядов событий, и получается некое новое случайное событие, которое уже не выглядит так фантастически. Подобным же образом можно объяснить и возникновение нового, часто неочевидного, незакономерного и непредвиденного в нашей обыденной жизни и в научных исследованиях.

В современной науке существует понятие исследовательская программа, это есть некоторое направление исследований. Современные научные работники не пытаются «выдумать чего-нибудь эдакое», не стремятся к чему-либо интересному и непознанному, не ждут когда им упадт на голову яблоко или присниться нечто новое, а работают в определнных направлениях – исследовательских программах. Подавляющее большинство современные научных сотрудников, решают чтко сформулированные и, часто, простые задачи в рамках намеченных исследований. Зачастую они и не знают всех подробностей программ, в которых работают. Современные исследователи просто решают вполне определнную прикладную, практическую, техническую или технологическую задачу. Иными словами, они исследуют какое-либо устройство или процесс, зачастую уже существующий, и делают его быстрее, меньше, наджней, дешевле. Сделать, например, современный автомобиль быстрее, и при этом, дороже не проблема. Сделать ракету быстрее, и при этом, заложить больший или более дорогой запас топлива тоже есть очевидное решение. В научном исследовании важно найти такое решение, которые одновременно будет и быстрее, и дешевле, и наджней, и проще. Такие решения обычно и возникают на стыке различных исследовательских программ они, как правило, и являются простыми (гениальными) решениями.

Современные исследователи не работаю точно в физике, точно в биологии или точно в химии. В современной науке, бурно развиваются исследования на стыке наук и в тех коллективах в которые входят специалисты различных специальностей. Это объясняется просто, научно-исследовательские направления пересекаются и возникают интересные теоретические и неожиданные практические результаты. Следовательно, говоря о современном естествознании, необходимо подходить к этому вопросу с интегральных, целостных, холистических позиций (англ. holism – философия целостности) т.е.

рассматривать науку как единое целое.

С исторической точки зрения, необходимо уделять внимание ключевым открытиям, которые внесли серьзный вклад в развитие человечества и изменили направления развития науки, техники, культуры.

Основной целью данного предмета является понимание современной научной картины Мира как целостной системы представлений о Природе.

Образованный человек обязан знать общие принципы, свойства и закономерности, современных естественно-научных законов, концепций, понятий и принципов.

РЕЛИГИЯ, ИСКУССТВО, ФИЛОСОФИЯ, НАУКА

Более общим термином, заменяющим термины «исследование», «изучение»

является термин «освоение действительности». Имеется в виду включение какого-либо явления, предмета, объекта, опыта в обычную, повседневную практику человека и человечества. Например специалист по черно-белой фотографии, или художник по тканям тмных оттенков может различить до нескольких сотен оттенков серого. Это происходит потому, что они профессионально и каждодневно работают с этими оттенками. Иными словами, эти оттенки включены в сферу каждодневной практической деятельности этих специалистов.

Известно, что древние греки имели одно слово для двух различных цветов – синего и зелного. Скорее всего это происходило потому, что долгое время не было необходимости специально выделять эти цвета. В некоторых современных языках сохраняется такая же ситуация. Например, в современном японском языке существует слово, которое читается [аой]:, одновременно обозначающее и голубой, и зелный цвет. Очевидно, что японцы отличали и отличают эти два цвета, но и в современном японском:

Можно предположить, что и на японских островах долгое время не было практической необходимости различать эти цвета. Видимо каждодневная практическая деятельность была такова, что не было необходимости различать траву на фоне неба. Другими словами можно сказать, что не было повода «умножать сущности без необходимости» – специально выделять эти два цвета в языке.

Освоение действительности человеком – это более общий термин чем исследование, изучение, работа, описание. Он означает включение некого предмета или явления в человеческую практику. Только после этого данный предмет или явление начинают существовать для культуры данного человека или сообщества.

Рассмотрим отличия научного подхода к освоению действительности человеком от подхода религии и искусства.

Искусство, как правило, субъективно, иррационально, эмоционально, не требует доказательств. Здесь важна красота, чувственность, индивидуальность.

Центральным моментом искусства является создание художественного образа, как правило красивого художественного образа.

В религиозном подходе на первом месте стоят догматы, а не доказательства, послушание, а не критика, морально-этические, поведенческие принципы.

Традиционно отрицание других религий. В последнее время на первый план выходит мирное сосуществование и нерассмотрение (неприятие) других религий. Центральным моментом религии является вера в сверхъестественные силы, вера в чудо, вера в Бога (или Богов) вера в загробную жизнь.

доказательность, рациональность, эксперимент, повторяемость результатов, количественные методы оценки, обобщение результатов и создание теории.

Центральным моментом современной науки является формализованная теория, система уравнений на основе которой можно делать различные выводы, планировать эксперимент и делать некие, обоснованные данной теорией количественные предсказания. В науке можно выделить следующие парные категории: систематичность и незавершнность, универсальность и фрагментарность, обезличенность и общезначимой. Эти диалектические пары необходимо рассматривать в единой связи.

Взаимоотношения науки и философии очень важный, хотя и часто замалчиваемый вопрос. Учные пытаются относиться к философии свысока.

«Физика бойся метафизики» говорил И.Ньютон. Под метафизикой в его время понималась философия. Мета – то, что лежит за физикой.

Несмотря на то, что философия отвечает на более общий вопрос – «почему?», а наука на более конкретные вопросы – «как?», «каким образом?», существует отдельная дисциплина – философия науки. В англоязычной литературе е называют позитивизм (см. также неопозитивизм) или позитивная философия, от слова позитив (positive), т.е. определнные, уверенные, конкретные, убедительные знания.

Неопозитивизм (логический позитивизм) возник в XIX в., но развивался преимущественно в XX веке. Более подробно этот подход мы рассмотрим позже, а здесь хотелось бы отметить его известных представителей: Карл Поппер (1902-1994, род. в Австрии, с 1945 г. в Великобритании), немец Карл Ясперс (1883-1969), Имре Лакатос (1922-1974, род. в Венгрии, с 1958 г. в Великобритании), американский историк и философ науки Томас Кун (1922Пол Фейерабенд (1924-1996, род. в Австрии, с 1958 г. в США). Они внесли существенный вклад в развитие исследование истории и развитие естественнонаучных методов, философии и методологии науки. Многие относятся к Венскому философскому кружку (Венский кружок). Неопозитивизм рассматривает научное исследование как предмет своего философского исследования.

Отметим, что основоположник неопозитивизма Карл Раймунд Поппер (1902-1994) начиная свой курс лекций по философии науки говорил, что он не может сформулировать предмет своего исследования, так как у него нет предмета. Его выводом было – наука это то чем занимаются учные, а учные это люди, которые занимаются наукой и относят себя к научному сообществу.

Нечто похожее мы можем сказать и о религии, и об искусстве, и о философии, и о политике и о многих других областях человеческой деятельности. На самом деле наука, искусство, философия, политика зарождались и долгое время развивались в рамках религиозных верований, в рамках церкви. Если говорить о Европе то это происходило в рамках Христианства.

Подчеркнм ещ раз, науке присущи: объективность, универсальность, рациональность (лат. rationalis – разумный, ratio – разум), критичность, количественные оценки, повторяемость результатов. Прикладные и технические науки рассматриваются в качестве неотъемлемой части науки. Надо отметить, что нельзя провести чткой грани между фундаментальной и прикладной наукой.

Искусству присущи: субъективность, эмоциональность, индивидуальность.

Религии –мораль, этика, вера в Бога и в загробную жизнь.

Скажем несколько слов о средневековой науке. До последнего времени считалось, что в средние века (X - XIV вв.) процветала лженаучная химия и медицина. Церковь притесняла науку и считала, что Земля плоская.

Исследования последних лет показали, что многие монахи делали научные (даже в современном понимании) эксперименты. Их проводили в монастырях и даже с благословления церкви. Архитектура рассматривалась как своего рода экспериментирование в постройке более и более высоких зданий церквей.

Многие высокие здания церквей построенные без учта законов Природы рухнули. Естественно, что церковь была заинтересована в исследованиях законов статики, для постройки вечных и высоких храмов.

Английский монах Роджер Бэкон (1214-1292) за 400 лет до Ньютона, направив луч света на колбу с водой показал, что белый цвет содержит в себе все цвета радуги, известно что он также изучал цвета возникающие при отражении от плнки масла на поверхности воды. За 350 лет до Галилея он научился изготавливать линзы и располагать их на разных концах цилиндра, таким образом, что бы приближать видимые предметы. Р.Бэкон говорил, что округлость Земли объясняет «почему выше мы видим дальше». Он также утверждал, что только эксперимент может дать наджность знания.

Средневековые алхимики считали золото совершенным металлом, с годами оно не окисляется, не вступает в реакцию с другими веществами, не испаряется.

Если золото расплавить, то е вес останется без изменений. Так как вс в природе стремиться к совершенству, следовательно и все вещества со временем становятся золотом, считали алхимики. Это и было основанием для поиска методов преобразования металлов в золото. В середине XX советские учные сообщили об эксперименте, в котором при бомбардировке протонами атомов свинца – Pb, было получено золото – Au.

Результаты работы средневековых алхимиков используются как основа современной химии. Золото получено не было, но были открыты кислоты, создана технология позолоты металлов с использование ртути, разработан процесс дистилляции (последнее было известно и арабской науке).

Средневековые монастыри были заинтересованы в науке и для точного отсчта времени. В XII в. в английском монастыре в городе Сант-Албанс (St.Albans, 40 км. севернее Лондона) с целью контроля над коммерческой деятельностью местного населения, были разработаны два типа очень точных часов. Одни обычные часы были для отсчта времени суток, вторыми – были астрономическими часами, для расчта фаз Луны, осеннего и весеннего равноденствия, летнего и зимнего солнцестояния. Это позволяло церкви контролировать распорядок жизни и работы прихожан. Заметим, что до недавнего времени обычным атрибутом христианских церквей и монастырей были часы на башне.

Средневековые врачи считали, что все болезни зависят от соотношения четырх жидкостей. Если в организме человека преобладала кровь, то он был сангвиником (лат. sanguis – кровь), имел молодой темперамент. Если преобладала слизь, то он был флегматиком (греч. phlegma – мокрота, слизь, хладнокровие). Если преобладали чрная или жлтая желчь, то человек был меланхоликом или холериком (греч. chole – желчь), соответственно. Лекари в средние века ставили довольно амбициозную задачу – дать человеку вечную жизнь, это было и главной темой церкви. Они не лечили болезни, а лечили организм в целом. После длительного периода анализа – расчленения тела на отдельные органы, только в конце XX в. медицина вернулась к пониманию синтеза, холизма – целостности в решении проблем здоровья. Очевидно что успехи современной медицины несколько преувеличены, согласно официальной статистике в США в результате ошибок врачей умирает больше людей чем от автомобильных катастроф, СПИДа и рака груди вместе взятых.

АСТРОНОМИЯ,

ПЕРВАЯ И ВТОРАЯ НАУЧНЫЕ РЕВОЛЮЦИИ

Первая научная революция Можно представить науку как плавное историческое развитие от одной кризисной ситуации, приводящей к научной революции, к другой кризисной ситуации см Рис. 1.

Считается, что первые астрономические наблюдения начались в Месопотамии (Двуречье), это область в средней и нижней части течения рек Тигр и Евфрат на территории современного Ирака и Ирана. Из-за плодородных почв возникающих между двух разливающихся рек, в 4-3-м тысячелетии до н.э.

здесь возник один из древнейших очагов цивилизации. Там даже строили специальные башни для наблюдения звзд. Археологами были найдены предсказать их положение на небе. Совместно с теорией движения Солнца и Луны эта теория составила птолемееву систему Мира. Система Птолемея изложена в его главном труде «Альмагест» (энциклопедии астрономии).

Считается, что первая естественно-научная революция была во времена Аристотеля. В Древней Греции появилась академия Платона и ликей (лицей) Аристотеля. До сих пор эти слова, академия и лицей, используются во многих языках для обозначения учебных и научных учреждений.

В своей работе «Физика» Аристотель рассматривает вопросы о материи и движении, о пространстве и времени, о конечном и бесконечном, о причинах и следствиях. В работе «О небе» Аристотель доказывает, что земля имеет форму шара. Из астрономических наблюдений он понял, что лунные затмения происходят только тогда, когда Земля оказывается между Луной и Солнцем, и Земля всегда отбрасывает на Луну тень в форме окружности. Аристотель не считал что Земля это плоский диск покоящийся на трх китах и трх слонах.

Напротив, уже четвртом веке до нашей эры, вслед за вавилонянами, он сформулировал концепцию вращающейся Солнечной системы. Он полагал что Земля находиться в центре, Солнце, Луна и другие планеты вращаются вокруг неподвижной Земли по круговым орбитам. Говоря современным языком, он описал движение небесных светил с точки зрения наблюдателя находящегося в неподвижной системе отсчта – системе координат, прикреплнной к Земле.

Если мы зададим эти условия современной компьютерной программе, то наверняка решение будет таким же, как и две с половиной тысячи лет назад.

Аристотель был автором идей и законов механики своего времени.

Например, «тело находиться в состоянии покоя до тех пор пока на него не будет действовать внешняя сила». Звучит совершенно разумно, однако позже мы сравним этот постулат с 1-м законом Ньютона, который также известен как принцип относительности, который сформулировал Галилео Галилей (1564В период с 4-го по 1-й век до н.э. взгляды на устройство Вселенной сильно изменились. Это был настоящий переворот в европейской науке, в понимании законов устройства наблюдаемого Мира. Говоря современным языком, это была коренная смена парадигм (греч. paradeigma – пример, образец) – серьзный пересмотр общепринятых взглядов, или первая научная революция.

Известно, что те открытия в области науки, которые сохранили свою важность до наших дней, были сделаны в области астрономии. Вслед за вавилонянами, древние греки обратили свой взор к звздам, вышли в область астрономических наблюдений и исследований, astron по-гречески значит звезда.

Земля перестала считаться плоским диском покоящимся на китах и слонах, а стала представляться шаром в центре Вселенной. Была создана геоцентрическая модель Вселенной.

развил идеи Аристотеля и создал космологическую модель на основе геоцентрической концепции (Гея – Земля). Земля неподвижна и находится в центре, она окружена восемью сферами, по которым вращается Луна, Солнце и остальные планеты. Необходимо подчеркнуть, что те наблюдения и измерения которые делал Птолемей не могут быть повторены сейчас в тех же условиях.

Звздное небо постоянно меняется и его карта никогда не может быть повторена. Астрономы до сих пор вынуждены использовать результаты его наблюдений. Многие современные модели основаны и на этих данных.

вокруг Солнца. Солнце находилось в центре Вселенной и не рассматривалось как движущийся объект. Коперник совершил переворот в естествознании, отказавшись от принятого в течение многих веков учения. Свое учение изложил в труде "Об обращениях небесных сфер" (1543), официально запрещенном Римско-католической церковью вплоть до 1828.

естествоиспытатель и поэт Джордано Бруно (1548после бегства из монашеского ордена г. книги Джордано Бруно были сожжены и внесены в список запрещнных книг.

Сам он был сожжн на костре за ересь. В конце суда Бруно сказал: «С глазами наделнными зрением, и с умом наделнным мыслями благословен милостью божьей, я назначен вершить суд. Никогда не буду я несправедлив к тем кто окажется на мом суде, и не буду я неблагодарен божественной милости, которая не позволит мне ослепнуть, но поставит меня над слепцами и потребует, чтобы я всеми своими силами защитил сияющую правду.» Сегодня в Риме стоит памятник Джордано Бруно Немецкий математик Иоганн Кеплер (1571-1630) стал рассчитывать круговые орбиты Марса и Меркурия по круговым орбитам, для того, чтобы предсказать время их точного появления в заранее заданной точке пространства.

Он не смог этого сделать, расчты не совпадали с наблюдениями. Тогда он предположил, что планеты могут двигаться по эллиптическим орбитам. Эта гипотеза дала положительный результат, было предсказано, что в заданное время Меркурий пройдт перед Солнцем и это подтвердилось. Возникала научная, в современном понимании, теория движения небесных тел.

Пользуясь наблюдениями, измерениями и количественными вычислениями Кеплер сформулировал законы движения планет, составил планетные таблицы, создал основы теории затмений. В современной трактовке законы Кеплера можно сформулировать следующим образом:

Каждая планета движется по эллипсу, в одном из фокусов которого Каждая планета движется в плоскости, проходящей через центр Солнца. Площадь сектора орбиты, описанная радиус-вектором, соединяющим центр Солнца и центр планеты, изменяется пропорционально времени вращения.

Квадраты времн обращения планет вокруг Солнца относятся как кубы их средних расстояний до него.

Очевидно, что такого понятия как радиус-вектор во времена Кеплера не было. То что мы изложили это не современный перевод, а современная трактовка. Более того все научные труды того времени писались на латинском языке. Это отражало тенденцию отделения учных от простолюдинов. Вс, что было бы написано на других языках наукой бы не считалось. Интересно культурологическое следствие – это дало возможность европейским учным легко понимать работы иностранцев. Безусловно это давало мощный толчок для развития международного общения и развития науки. С другой стороны, современные трактовки законов 400 летней давности часто далеки от тех, которые изначально были сформулированы на латинском языке, потом на родном для автора языке, и только потом на понятном нам русском языке.

Важно лишь то, что их теоретические принципы верны.

древний Мир:

Греция, Индия, T Китай, Арабские страны Рисунок 1.

Исторический взгляд на развитие науки через научные революции – T1, T2, T3.

Усовершенствованная модель телескопа состояла из свинцовой трубы и к прикреплнным к ней с двух сторон линз, одной вогнутой и одной выпуклой. В 1609 г. в сенате Венеции Галилей первым публично продемонстрировал применение телескопа как научного прибора для астрономических наблюдений.

До настоящего времени различные модификации телескопа используются как научные прибор для проверки научных теоретических предсказаний.

Важным чиновникам Венеции Галилей пытался объяснить, что он может «наблюдать» горы на Луне и пятна на Солнце. Он утверждал, что эти «наблюдения» опровергают прославленную в веках теорию, согласно которой небесные, тела должны быть непорочно чистыми, возвышенными сферами.

Однако его «наблюдения» не соответствуют критериям, по которым «наблюдаемым» считается только то, что видят невооружнным глазом.

Возможности наблюдений Галилея зависели от возможностей его телескопа, а следовательно, и от оптической теории, на основании которой этот телескоп был изготовлен, что вызывало сомнения у многих его современников.

Аристотелевской «теории» противостояли не чистые, без теоретической примеси, «наблюдения» Галилея, а «наблюдения», проведенные на основе принятой им оптической теории. Именно эти «наблюдения» и противоречили «наблюдениям» Аристотеля, которые были основаны на древней теории небесных тел. Из оптики Галилея следовало, что если бы Луна была идеально чистой сферой, то она была бы невидимой.

Тем не менее, впервые при помощи телескопа Галилей обнаружил на поверхности Луны ландшафты похожие на земные – горы, каналы, долины. На Солнце были обнаружены пятна, их движение натолкнуло Галилея на вывод, что и Солнце вращается вокруг своей оси. У Венеры наблюдались периодическая смена фаз, как и у Луны. Вс это подтверждало, что и Земля может вращаться. В 1610 г. Галилей опубликовал открытие четырх спутников планеты Юпитер. Это доказывало, что Земля не есть единственный центр вращения во Вселенной. В телескоп стало возможным рассмотреть тысячи и тысячи новых звзд, которые не было видно невооружнным глазом.

Планеты были видны как относительно большие диски и двигались на фоне «неподвижных» звзд. Последние оставались светящимися точками. Из этого был сделан вывод, что планеты находятся значительно ближе к Земле. Было обнаружено, что Млечный Путь (Галактика в которой находится и наша Солнечная Система) состоит из множества отдельных звзд, а не есть некое атмосферное явление, как утверждал Аристотель.

Галилей считается, одним из основателей современного естествознания, он сформулировал закон инерции: «если законы механики справедливы в одной системе координат, то они справедливы и в любой другой системе, движущейся прямолинейно и равномерно относительно первой.» Иными словами, никакими механическими опытами, проведнными внутри данной системы отсчта, невозможно установить движется ли она прямолинейно и равномерно (V=const) или находиться в состоянии покоя (V = 0). Постоянство скорости движения стало принципиальным. Теоретически, скорость равная нулю это тоже постоянная скорость.

Это был именно теоретический принцип. Нигде и никогда тела не могут двигаться абсолютно равномерно, абсолютно прямолинейно или находиться в абсолютном покое. Можно сказать что это была гипотетическое предположение на основании, которого началась строиться новая теория. Галилей выступал против схоластики, считал основой познания опыт, заложил основы современной механики.

Галилей также сформулировал принцип или закон свободного падения – «Тело падает с одинаковым ускорением независимо от массы». Т.е. и лгкое перышко и тяжлый камень упадут на Землю (или на Луну) за одинаковое время, если не будет силы трения воздуха, проще говоря в вакууме. Астронавты высадившиеся на Луне проделали этот опыт в 1969 г. и экспериментально подтвердили правильность данного принципа. Они отпустили в свободное падение лгкое перо и тяжлый молоток, так как на Луне нет атмосферы и притяжение на в шесть меньше чем на Земле эти два предмета падали медленно и упали одновременно.

Аристотель был непререкаемым авторитетом у Римско-католической церкви, в которой господствовала схоластика. Новые идеи противоречили древним принципам, и Галилей вынужден был спорить с Католической церковью. Он не спорил с властью церкви, но отстаивал независимость науки от церкви. Он считал, что человек может попытаться узнать как устроена вся Вселенная, изучая явления окружающего мира на Земле. Церковь не отрицала силу науки, но старалась сохранить е под своим влиянием.

В 1616 г. на Галилея поступил донос, это был первый донос на учного.

Идеи (и книга) Коперника были известны уже более пятидесяти лет.

Инквизитор кардинал Роберт Белармин знал Галилея и его работы, но донос это то с чем и он должен был считаться. Это был первый случай касающийся науки, раньше инквизиция имела дело с магией, ведьмами, ересью. В результате суда Святой палатой был вынесен запрет на книги Коперника и Галилея. Это был очень мягкий приговор. Кардинал Белармин умер в 1621 г., после этого Папа Урбан VIII просит Галилея написать книгу в поддержку традиционной геоцентрической концепции. Вместо этого Галилей пишет памфлет где в виде пародии высмеивает Папу. Новый суд инквизиции приговаривает уже пожилого Галилея к пожизненному заключению, но ему позволили остаться на родине, где он продолжал свои исследования.

Преследования церкви серьзно подорвали его здоровье. Галилея не сожгли, он согнулся под оказанным на него давлением, но несмотря на запрет инквизиции в конце жизни он тайно переслал в заграничное (голландское) издательство рукопись своей новой книги «Две новые науки», в ней доказывалась гелиоцентрическая система и излагались новые принципы науки.

После Галилея, в XVII-XVIII веках новый подход, подход новой науки развивался Иоганном Кеплером (1571-1630), Робертом Гуком (1635-1703), Френсисом Бэконом (1561-1626), Рене Декартом (1596-1650), Исааком Ньютоном (1643-1727), Готфридом Лейбницем (1646-1716), Михаилом Ломоносовым (1711-1765) и многими другими.

Английский астроном и геофизик Эдмунд Галлей (1656-1742) в 1695 г.

предсказал прилт кометы, названной в последствии его именем. Он составил первый в Новое время (1640-1918 гг.) каталог звзд, открыл их собственное движение, вычислил орбиты свыше 20 комет, в том числе комету названную впоследствии его именем (комета Галлея). Проанализировав и систематизировав предыдущие наблюдения, отобрал повторяющиеся появления похожих небесных тел выделил одну комету и предсказал время е нового появления (1758). Она действительно появилась в предсказанном году, но уже после его смерти. Галлея приближается имеет период вращения по своей орбите равный примерно 76 лет. Последний раз эта комета пролетала близко к Земле в 1986 г и тщательно изучалась космическими аппаратами Вега-1, Вега-2 и Джотто.

никаких сил, то она покоится, если мы прикладываем усилие для того, чтобы е сдвинуть, книга начинает двигаться.

Интересно, что и в XVII-XVIII веках исследователи искали те силы, которые заставляют планеты двигаться, не могли найти, не меняли свои принципы и находились в рамках старой теоретической концепции (парадигмы), которая не могла предсказать движения планет. Только совершив настоящий теоретический переворот стало возможным математически описать движение планет. Переворот в науке состоял ещ и в том, что допускалось существование абстрактной, теоретической модели. Экспериментальные условия и результаты наблюдений могли приближаться к ней, но никогда не совпадали абсолютно точно.

Изначально, механика была механикой небесных сфер и астрономические наблюдения не давали основы для земных аналогий. Даже потом, когда астрономические принципы подтверждались в лабораторных условиях с меньшими телами, часто рассматривалась именно планетарная модель.

На основе своей теории всемирного тяготения Ньютон объяснил и уточнил законы Кеплера.

Закон всемирного тяготения Английский естествоиспытатель и архитектор Роберт Гук (1635-1703), член Лондонского Королевского общества (аналог национальной академии наук), попросил И.Ньютона объяснить и математически описать траектории движения планет, используя новую теорию дифференциального и интегрального исчисления. Ньютон проанализировал результаты полученные И.Кеплером, Э.Галлеем и дополнительно проводимые для этой совместной работы результаты наблюдений, которые получил английский астроном, директор Королевской обсерватории в г. Гринвич, Джон Флемстид (1646-1719).

Теоретические исследования Ньютон проделал в одиночку и всего за полтора года. В результате в 1687 была написана, ставшая знаменитой, книга «Математические начала натуральной философии» (впервые напечатана на латинском: ‘Philosophiae Naturalis Principia Mathematica’, английский перевод вышел только после смерти Ньютона в 1729 г.) В этой книге был сформулирован закон всемирного тяготения: сила гравитации пропорциональна произведению двух масс M, m и обратно пропорциональна квадрату расстояния между их центрами, R. Математическая формула данного закона выглядит так:

Коэффициент пропорциональности определяется экспериментально. Он является первой мировой константой (универсальной постоянной), т.е.

справедливой для всей Вселенной постоянной, которая справедлива для всех тел и не меняется со временем.

Заметим, что Р. Гук, резко критиковал работы Ньютона. Несмотря на это, настоящий триумф нового научного подхода настал, когда на основании новой теории тяготения, астрономы теоретически предсказали существование и местонахождения новой неизвестной планеты. Эта планета была обнаружена в заранее предсказанной точке пространства, е назвали Нептун.

Немецкий музыкант Уильям Гершель (1738-1822) бросил музыку, чтобы занялся наукой и переехал ко двору английского короля. В 1800 г. он открыл тепловые, невидимые лучи, которые были названы инфракрасными.

Увлкшись астрономией, сэр Гершель разработал и изготовил телескоп длиной 6 м. С его помощью он впервые предпринял систематические наблюдения звздного неба. Гершель разделил небо на сектора и подсчитывал количество звзд в каждом секторе. Он количественно показал, что в одних участках неба звзд было меньше, а в других больше. Впоследствии выяснилось, что он наблюдал части Галактики (Млечный путь) к которой относится и наша Солнечная система. Он исследовал звездные скопления, двойные звезды, туманности, построил первую модель галактики, открыл движение Солнца в пространстве относительно других звзд, открыл Уран (1781 г.) и его 2 спутника (1787 г.) и 2 спутника Сатурна (1789 г.). Его сын Джон Гершель (1792-1871) продолжил дело отца. Он исследовал двойные звзды, составил каталог туманностей и звздных скоплений (1864 г.). Д.Гершель наблюдал положения звзд и изменение яркости их блеска, последнее положило начало современной науке астрофотометрии (см. фотометрия).

Проскурин С.Г. КСЕ Законы Ньютона Галилей подверг сомнению принципы Аристотеля считая, что все старые и устоявшиеся истины нужно проверять экспериментально. Галилей заложил основы современной экспериментальной и теоретической науки и второй научной революции. Считается, что Исаак Ньютон завершил эту научную революцию.

В своих «Началах» Ньютон сформулировал математические принципы классической механики, которые до сих пор изучаются в школах и университетах, и до сих находят применение в довольно широких практических областях. О первом постулате – принципе относительности Галилея мы уже говорили. В формулировке Ньютона он звучит так: «всякое тело пребывает в состоянии покоя или равномерного прямолинейного движения до тех пор, пока действующие на него силы не изменят направление это движения».

Второй принцип или закон, в изложении близком к трактовке Ньютона, звучит так: «изменение движения тела пропорционально приложенной силе и имеет место в направлении прямой линии, по которой эта сила приложена.»

Иными словами, сила F равна изменению момента количества движения p – импульса, в современной трактовке:

где p равен произведению массы тела m на его скорость :

Следовательно так как в классической механике m является константой и от времени не зависит. Очевидно, что производная скорости по времени есть ускорение, и мы получаем общепринятую трактовку второго закона Ньютона в виде формулы:

Третье начало «натуральной философии» (читай естествознания), можно перевести так: «для каждой силы действия есть соответствующая сила противодействия, которая равна по величине и противоположна по направлению.» Или в другой трактовке: «Когда бы одно тело ни давило на другое тело, последнее давит на первое, с силой такой же по величине и противоположным направлением.» Математическая формулировка выглядит так:

В книге И.Ньютона «Математические начала натуральной философии» была развита идея о том, что для поддержания движения физического тела сила не нужна. Тело само будет двигаться если не оказывать на него никакого воздействия. В развитие кинематических законов Кеплера и Галилея, Ньютон определил понятия силы, массы и инерции. Развитие классической механики окончательно ниспровергало теорию Аристотеля. Сейчас мы называем этот период – второй научной революцией.

Вторая научная революция.

развитие ньютоновской механики, Г.Галилей, Ф.Бэкон, Д.Флемстид, Р.Гук.

Определнно одно, классическая механика была первой формализованной теорией индуктивного типа, она объединила механику земных и небесных тел.

Для всех наблюдаемых тел были предложены одинаковые законы: инерции, приложенных сил и тяготения. Смысл теории индуктивного типа показа на схеме, Рис. 3. Изучая конечное число наблюдений (экспериментов) n можно создать соответствующую теорию Т, которая с единых позиций объяснит все эти явления с определнной, наперд заданной точностью. Далее, используя созданную формализованную теорию, можно математически смоделировать поведение экспериментальной, в частном случае механической системы, и предсказать практически бесконечный () ряд других феноменов, которые можно будет проверять экспериментально и либо подтверждать теорию, либо опровергать е в рамках единой господствующей в данный момент научной парадигмы. Первое время несовпадения с теорией не рассматривают, не придают значения. Впоследствии, когда такие наблюдения, факты, явления, эксперименты игнорировать нельзя, начинает возникать новая теоретическая концепция, которая либо поглотит (Рис. 4а), либо полностью заменит (Рис. 4б) старую теорию.

Необходимо добавить, что именно Исаак Ньютон, забыв про Галилея и вычеркнув все ссылки на своего соавтора Д.Флемстида, создал прецедент построения науки (научной теории), который используется до наших дней. Это не простое «заимствование» результатов или «подмена» авторства. После того как построена формализованная теория (теоретическая модель, система математических уравнений) использованные для е создания экспериментальные данные уже не нужны. Очевидно, что если эксперименты были поставлены правильно и исчерпывающе, то и теория будет охватывать любые новые эксперименты поставленные в рамках данной теории, единой концепции, модели. Опыт многих исследователей XX в. подтверждает это. К сожалению до наших дней многие исследователи рассматривают эксперимент как нечто дополнительное или даже вторичное. Соавторов экспериментаторов теоретики до сих пор любят оставлять за пределами списков авторов совместных работ. Сам Ньютон, как бы в оправдание, говорил: «я стоял на плечах титанов, поэтому видел дальше».

В начале XX в. А.Эйнштейн развил эту концепцию следующим образом:

«Если факты (экспериментальные данные) не совпадают с теорией, замените факты».

Построение эксперимента Принципы правильного построения эксперимента сформулировал Френсис Бэкон (1561-1626). В отличии от Ньютона Ф.Бэкон не придавал существенного значения математике и теоретическому подходу, однако ему принадлежит лозунг «Знание – сила» («Knowledge is power»). В книге «Новый органон»

(1620) (греч. organon – орудие, инструмент) Бэкон разработал методику проведения научного эксперимента. Ф.Бэкон создал таблицы совпадений (соответствий), таблицы несовпадений (несоответствий), таблицы частот.

Именно эти принципы позволили набрать необходимый материал наблюдений для построения новой теории. В отличии от самой механики, принципы Ф.Бэкона до сих пор не изменились, и остаются основой проведения научных экспериментов. Недооценка таких дисциплин, как истории науки и философии науки, часто приводит современных исследователей к пустой трате времени, вместо корректного проведения важных и дорогостоящих экспериментов.

Рисунок 3. Концепция построения теории дедуктивного типа.

В соответствии с традиционной концепцией а), новая научная теория Т1 объясняет большее количество экспериментальных фактов, чем старая теория – Т1. Т3 объясняет Т2 и Т вместе взятые. В тоже время предыдущие теории входят в новую как частные случаи при определнных условиях. Концепция Т.Куна использует несколько другой подход б), новая теория полностью отличается от предыдущей. Она объясняет старые явления, наблюдения, эксперименты с абсолютно новых позиций и Т1, Т2, Т3 никак не пересекаются.

Концепции проведения научного эксперимента сформулированные Френсисом Бэконом, вошли в культуру научного сообщества настолько, что большинство исследователей, даже не задумываясь об этом, интуитивно используют подходы «нового метода». Там где они совпадают с теми, что изложены в книге «Новый органон» исследователи оказываются правы.

Эти принципы получили развитие в позитивизме, см. глоссарий – верификация (проверка гипотез) и пролиферация (рост, распространение) научного знания.

Современная научная теория это, в первую очередь, теоретическая модель, которая либо подтверждается в эксперименте с определнной точностью и принимается, либо не подтверждается, опровергается и отвергается. Существует эта модель тоже какое-то время, и зачастую только в определнном сообществе исследователей (учных). Со временем она либо уточняется, либо опровергается, либо полностью заменяется новой моделью.

В XX веке были создана новая, квантовая механика, и новый принцип относительности, см. ниже. Однако такой подход – придумать некую идеализированную, ненаблюдаемую на практике, абстрактную (отвлечнную) модель для описания наблюдаемых явлений – господствует в современной науке до сих пор. Рис. 4 показывает две модели развития науки. В соответствии с первой (а) новая теория Т2 уточняет старые результаты и включает в себя предыдущую теорию Т1, как частный случай. После некоторого времени Т сама становиться частным случаем более новой теории Т3. Другой, подход (б) трактует развитие науки как полную смену парадигм (см. глоссарий, Томас Кун). Предыдущие теории не выдерживают критики под напором новых фактов и полностью сменяются новой теорией.

Возвращаясь к мыслителям Древней Греции, надо сказать, что они были преимущественно наблюдателями природы. Говоря о научном подходе, в современном понимании этого слова, мы имеем в виду ту науку, начало которой положил Галилео Галилей в конце XVI, начале XVII в. Начиналась наука когда наблюдения и размышления, развились до уровня экспериментов и вычислений, описание и анализ сформировались в чткие теоретические (математические) формулировки, проверка наблюдений в экспериментальное подтверждение гипотез (теоретических формулировок).

Развитие науки в XVII-XVIII веках вынудило Римско-католическую церковь снять запреты на книги Коперника, Галилея, Кеплера. Только в начале XXI века (Собор Святого Петра в Риме, 12 марта 2000 г.) впервые за двух тысячелетнюю историю христианства Папа Римский Иоан Павел II (Карол Войтыла (1920публично попросил прощения у Бога за все грехи церкви. Таким образом он покаялся за инквизицию и за гонения, которые испытала на себе наука на протяжении нескольких столетий.

Только в конце XX в. Римско-католическая церковь формально признала гелиоцентрическую концепцию. В итоге, церковь отказалась от споров и борьбы с наукой. Необходимо отметить, что в основном это была католическая ветвь христианства. Протестантская и Православная церкви такого мощного, организованного и систематического давления на науку не оказывали. Заметим, что две другие мировые религии – Буддизм и Мусульманство – также не оказывали и не оказывают отрицательного влияния на науку.

Современная астрономия В 1924 г. американский астроном Эдвин Хаббл (1889-1953) определил, что туманности это есть другие галактики, которые находятся от нас на расстоянии сотен, тысяч и миллионов световых лет. В 1929 г. Хаббл установил закономерность разлета галактик. Он исследовал спектры излучения галактик и определил, что одни имеют смещение в синюю область спектра и движутся по направлению к нам, а другие имеют смещение в красную область спектра и движутся от нас. Большинство галактик имело красное смещение спектра. Чем дальше от Земли, тем большее было это смещение. Получалось, что Вселенная разлетается (расширяется) и чем дальше к периферии, тем быстрее. Сила гравитации должна притягивать все космические тела и замедлять их удаление друг от друга, однако этого не происходит.

Предполагается, что существует «тмная энергия» которая и заставляет расширяющуюся Вселенную ускоряться. Тмная энергия связана с антивеществом (антиматерией), которое мы до сих пор наблюдать не можем.

В 1930 г. американский астроном, работавший в лаборатории Белла, Карл Янский (Jansky – иногда произноситься Дженски) (1905-1950) исследовал радиоволны. Пытался устранить радиопомехи приходящие из атмосферы.

Некоторые радиопомехи устранить не удалось. Впоследствии выяснилось, что это радиоволны приходящие из созвездия Стрельца. Таким образом было открыто космическое излучение радио диапазона (радиоизлучение). Это положило начало новой науке радиоастрономии. Кроме радиоволн, из космоса также приходят рентгеновские и -лучи. Излучение регистрируют также от квазаров, пульсаров и чрных дыр.

В 1964 г. американские (Белл Лаборатори) радиоастроном Роберт Вильсон (Уилсон) (род. 1936) и радиофизик Арно Пензиас (род. 1933) использовали квадратную антенну со стороной 6 м для исследования космического излучения. Экспериментально было измерено излучение, которое было на 3- единицы выше, чем теоретически рассчитанное для данной точки пространства. Исследователи зарегистрировать реликтово излучение. Это фоновое космическое излучение, которое возникло через 300 тыс. лет после большого взрыва. Происхождение этого излучения связывают с эволюцией и расширением Вселенной, которая в начале своего рождения имела высокую температуру и плотность. За это открытие Р.Вильсон и А.Пензиас получили Нобелевскую премию по физике 1978 г.

Открытие космического гамма-излучения состоялось в 1969-1972 гг. сначала фиксировались отдельные вспышки в различных не предсказуемых частях Вселенной. Первая фотография гамма-излучения была получена в 1997 г.

Излучение пришло от звзд находящихся от Земли на расстоянии миллиардов световых лет. Это положило начало гамма-астрономии.

В 1990-х годах польский астроном Алекс Волчан, опосредованно (по вычислениям) обнаружил три планеты около других звзд (экстрасолярные планеты). Пользуясь современной теоретической моделью небесной механики, по отклонению звзд вычислил возможное присутствие других небесных тел.

На сегодняшний день известно 130 планет вне Солнечной системы.

ТЕРМОДИНАМИКА

Движение тепла Классическая термодинамика, изучает внутреннее состояние макроскопических тел находящихся в тепловом равновесии, она занимается изучением законов преобразования и передачи тепла (тепловую энергию).

Термодинамика сформировалась в XIX веке, как теория тепловых машин. Она изучала переход тепловой энергии в механическую энергию. Эта наука впервые стала производительной силой, которая вносила существенный практический вклад в производство паровых двигателей.

Почему понадобилось разрабатывать новую науку? Если у нас есть несколько взаимодействующих твердых тел, то механика даст ответ на вопрос, как эти тела будут двигаться. Макроскопические тела имеют массу, объем, форму, температуру, они могут перемещаться в пространстве, вращаться, сталкиваться друг с другом. Как следствие, они могут обладать кинетической и потенциальной энергией. Эти вопросы рассматриваются в рамках классической механики. Однако, до XIX в. не было теории, которая описывала бы распределение энергии по телу. Без ответа на этот вопрос нет полного физического описания макроскопического тела.

Тела обладают и внутренней энергией, эту энергию можно увеличить (нагреть тело), е можно отнять (охладить тело). До XIX в. считалось что температура тел зависит от особой перетекающей жидкости, е называли теплород (невесомая материя, являющаяся причиной нагревания тел). С развитием молекулярно-кинетической теории (МКТ) и термодинамики выяснилось, что температура газов, жидкостей и макроскопических тврдых тел определяется движением молекул (частиц микромира), их скоростью, или иными словами кинетической энергией. Эта энергия определяется не только прямолинейным хаотическим (беспорядочным) движением, но и вращательным и колебательным движением молекул.

Второе заблуждение, от которого наука со временим отказалась, было связано с идеей построения вечного двигателя (perpetum mobile). Многие учные и инженеры пытались создать такую машину, которая будет работать вечно, быть неисчерпаемым источником энергии. Часто это пытаются представить как тупик в развитии науки, однако это можно считать некой исследовательской программой, неким направлением развития науки, которое дало важные результаты. Вечный двигатель не построили, но удалось найти новые законы природы и объяснить почему никакой механизм не может работать вечно. Выяснилось, что внутренняя энергия это объективная физическая реальность. Е сохранение, преобразование, передача объясняется законом сохранения энергии.

Можно предположить, что внутренняя энергия может быть распределена по объему тела как угодно. Однако полученные экспериментальные факты свидетельствуют, что все макроскопические тела и системы, будучи изолированы от внешнего воздействия, рано или поздно приходят в состояние теплового равновесия, чаще говорят, термодинамического равновесия. Это состояние является единственным для данной системы, следовательно распределение внутренней энергии по объму тоже должно быть единственным.

В начале XIX в. классическая механика была мощной теоретической базой для исследования законов природы, но в е рамках не удавалось описать перераспределение тепла и изменение внутренней энергии тел. Чтобы вычислить как распределена внутренняя энергия и температура в макроскопическом теле в состоянии равновесия или в состоянии далком от равновесия, пришлось проводить ряд новых экспериментов и создавать новую теорию. Эту теория и называли термодинамика. Термин происходит от греческих слов therme – тепло, и dynamis – сила. В конечном итоге она сформировалась как раздел физики, изучающий свойства макроскопических систем, находящихся в состоянии теплового (термодинамического) равновесия, и процессы перехода между этими состояниями.

Классическая термодинамика Термодинамика возникла в 1-й половине XIX в. в связи с развитием теории тепловых машин, которые являются механическими в макромире и термодинамическими в микромире. Установление закона сохранения энергии (немецкий естествоиспытатель и врач Ю.Р.Майер (1814-1878), английский физик Д.П.Джоуль (1818-1889), немецкий учный Г.Л.Ф.Гельмгольц (1821и первого, второго и третьего законов или начал (французский физик и инженер С.Карно (1796-1832), немецкий физик Р.Клаузиус (1822-1888), английский физик У.Томсон, лорд Кельвин (1824-1907)) термодинамики окончательно сформировало е самостоятельную науку.

К наукам занимающимся описанием молекулярного строение вещества, относятся молекулярно-кинетическая теория и статистическая физика. Эти дисциплины дают описание материи на более фундаментальном микроскопическом молекулярном уровне. Современный термодинамический подход тоже использует статистическую физику и молекулярно-кинетическую теорию.

Классическая термодинамика родилась как феноменологическая (описательная) теория макроскопических тел. Термодинамика ничего не знаела про атомы и молекулы. Поэтому в рамках данного подхода математические выражение для некоторых понятий, да и сами понятия вводятся иначе, чем в других разделах физики. Именно по этому многие понятия термодинамики сложны для понимания, например энтропия – мера неупорядоченности вещества, или внутренняя энергия, или работа вызванная теплом. Добавим к этому энтальпию, функцию Гиббса, термодинамические потенциалы, циклы тепловых машин, свойства термодинамических систем, а так же идеальный газ, реальный газ, диэлектрики, магнетики, равновесные и неравновесные процессы, термодинамические фазы и фазовые переходы.

Начнм с понятия температура, которое постулируется в рамках молекулярно-кинетической теории (МКТ) как макроскопическое проявление микроскопического движения молекул, жидкости, газа или тврдого тела.

Рассмотрим два тела с разными температурами. Одно из них имеет температуру Т1=+20 С, а другое Т2 = –20 С. После соединения этих тел вместе, с течением времени температуры их изменяться, и будут равны одной величине Т3, которая, можно предположить, будет равна нуля градусов Цельсия (0 С). Ото очевидное поведение тел с разными температурами называют нулевое начало термодинамики.

Состояние равновесия двух тел, соединнных вместе это состояние с максимальной энтропией степень упорядоченности и, следовательно, меньшую энтропию. После выравнивания температур скорости движения молекул стали иметь более равномерное распределение, быть более одинаковыми, а это и приводит к увеличению степени дезорганизации системы. Энтропия системы S, либо не меняется, либо растт, следовательно изменение энтропии всегда не убывает (увеличивается или остатся постоянным): S0. Для каждой конечной системы имеется максимальное значение энтропии. Считается, что если функция S = S(V,N,U) задана, то и термодинамика системы построена. Все последующие термодинамические характеристики тела (температура, давление, химический потенциал и т.д.) — есть просто математические следствия этого. В частности, температура связана с производной энтропии по внутренней энергии, и нулевое начало термодинамики следует из свойств функциональной зависимости S = S(V,N,U).

Первое начало Законы термодинамики, обычно их называют начала, являются основой не только для передачи тепла от более нагретого тела к менее нагретому, но и основой сохранения и передачи любой энергии, не только тепловой.

Первое начало, это первый закон термодинамики является одним из основных. Он сформулировано в середине XIX века как результат исследований Ю.Майера, Д.Джоуля и Г.Гельмгольца. Он характеризует преобразование энергии нагрева какого либо вещества в полезную работу. Первое начало также является законом сохранения энергии в применении к термодинамическим процессам. Первое начало термодинамики часто формулируют как невозможность существования вечного двигателя 1-го рода, который совершал бы работу, не черпая энергию из какого-либо внешнего источника.

Дадим математическую формулировку первого начала. Изменение внутренней энергии закрытой системы U, которое происходит в равновесном процессе перехода системы из одного состояния (С1) в другое состояние (С2), равно сумме работы A', совершенной над системой внешними силами, и количества теплоты, сообщнного системе, Q:

Работа совершнная системой над внешними телами A, в процессе перехода С1 С2 равна работе совершнной над системой с противоположным знаком (ср. третий закон И.Ньютона):

следовательно, для изменения внутренней энергии можно записать:

или в более привычном виде:

Последняя формула означает, при нагревании воды или пара в паровой машины количество теплоты Q, сообщаемое системе, расходуется на изменение внутренней энергии U, системы и на совершение системой полезной работы A.

Для маленького изменения (элементарного) количества теплоты Q;

элементарной работы A и малого изменения внутренней энергии dU, первый закон термодинамики принимает вид:

Рассмотрим случаи встречающиеся на практике. В первом случае Q > 0, очевидно означает, что тепло подводится к системе, во втором, Q < 0, тепло от к системы отводится.

В конечном процессе перехода системы из одного состояния в другое, элементарное количество теплоты может быть любого знака. Общее количество теплоты, которое мы назвали просто Q есть алгебраическая сумма (интеграл) элементарных количеств (Q) количеств теплоты, сообщаемых на всех участках этого процесса. Тоже самое можно сказать и про работу совершаемую любым двигателем. В начале это были только паровые двигатели, потом появились двигатели внутреннего сгорания, газотурбинные, реактивные двигатели, и даже ядерные и термоядерные реакторы.

Коэффициент полезного действия Понятие коэффициента полезного действия (КПД) родилось тоже в рамках термодинамики. КПД есть отношение полезной совершнной двигателем работы А, над общей, затраченной на е выполнение энергии Е:

Теоретически, в тепловом двигателе максимально возможный КПД зависит только от двух температур, температуры нагревателя ТН (котла, паровой машины) и температуры холодильника ТХ (окружающей среды). Оставляя вычисления, запишем формулу максимального коэффициента полезного действия термодинамической системы:

эту формулу можно переписать в другом виде:

Из этих формул следует, что чем больше температура нагревающегося пара, и чем ниже температура той части двигателя, которая охлаждает этот пар (холодильника) тем выше можно получить КПД работы машины. Верно и обратное чем меньше разность этих температур ТН – ТХ тем меньше коэффициент полезного действия тепловой машины. Получилось, что двигатель, у которых все части находятся при одинаковой температуре работать не может.

Позже выяснилось, что этот закон и другие законы термодинамики можно применять и к другим двигателям и системам, например двигатели внутреннего сгорания, газотурбинные и реактивные двигатели, а также обычные бытовые холодильники и морозильные камеры, которые через сто лет, во второй половине XX века, стали обычной принадлежностью любой кухни или столовой. В XIX в. их не было, хотя технические возможности для их создания были.

Можно заметить, что если температура окружающей среды (комнаты) растт, например летом то и наш домашний морозильник или морозильная камера работает менее эффективно, с меньшим КПД – хуже охлаждает или потребляет больше электроэнергии. Верно и обратное, если зимой температура воздуха окружающей среды падает, то и морозильник начинает охлаждать продукты более эффективно.

КПД обычного бензинового автомобиля можно оценить на уровне 20-30%, т.е. только 20-30 грамм из одного литра бензина идт на полезную работу – движение автомобиля, а остальное идт на нагрев и преодоление сил трения.

Второе начало В 1865 г. его сформулировал немецкий физик Рудольф Клаузиус (1822он же ввл понятие энтропии. Второе начало связано с более фундаментальными законами организации материи. Рассмотрим энтропию S, как некую функцию состояния физического тела. Она зависит от таких макроскопических характеристик тела, как объем – V, количество вещества (число молекул) – N, и внутренняя энергия – U, тогда S есть функция этих трх аргументов (переменных):

Энтропия есть экстенсивная или аддитивная величина (лат. aditivus – прибавляемый, т.е. можно представить в виде суммы). Из этого следует, что полная энтропия всей системы есть сумма энтропий подсистем. Получается, что полная энтропия тела оказывается зависящей от того, как именно внутренняя энергия распределена по его объему. Изменение энтропии, при некоторой заданной температуре Т, можно определить следующей формулой:

Это и есть математическая формулировка второго начала термодинамики. Как мы уже отмечали энтропия любой замкнутой системы увеличивается или остатся постоянной, не убывает: S0.

Под замкнутыми системами понимают системы которые не обмениваются с внешней средой ни энергией, ни веществом. Со временем они неизбежно приходят в состояние равновесия. Такие системы и изучает равновесная термодинамика.

Из второго начала следует, что со временем наступит выравнивание температур и всех тел во Вселенной. Однако по формуле определяющей КПД, при выравнивании температур частей системы никакая полезная работа (движение) совершаться не может, следовательно вс движение во Вселенной остановится, наступит состояние максимальной энтропии. Этот парадокс возникший в термодинамике и в классической физике к концу XIX в.

называется «тепловая смерть Вселенной».

Вечный двигатель 2-го рода это воображаемая тепловая машина, которая в результате совершения кругового процесса (цикла) полностью преобразует теплоту, получаемую от какого-либо одного неисчерпаемого источника (океана, атмосферы, солнца) в работу. Действие вечного двигателя 2-го рода не противоречит первому началу, закону сохранения и превращения энергии, но нарушает второе начало термодинамики, и поэтому такой двигатель неосуществим.

Интересно отметить, что до середины XIX в. многие исследователи и инженеры, включая известного русского изобретателя Ивана Петровича Кулибина (1735-1818), пытались создать модель вечного двигателя.

Термодинамика показала, что это невозможно. Однако до наших дней в редакции научных журналов и различные академии наук приходят проекты от множества современных изобретателей вечных двигателей.

Третье начало области физической химии Вальтер Нернст (1864Эта теорема устанавливает, что энтропия абсолютном нуле температуры равна нулю. Из вытекают важные следствия о свойствах вещества вблизи абсолютного нуля температуры:

обращаются в нуль удельные теплоемкости тел, термический коэффициент расширения, термический коэффициент давления.

Третье начало формулирует гипотезу о неком абстрактном состоянии при котором любое движение останавливается, это температура термодинамической шкалой соотношением t = Т – 273,16 К, 1К = 1 С Современная термодинамика Современная термодинамика включает в себя также применение термодинамики к нестандартным системам, например термодинамика чрных дыр, см. ниже. Очевидно, что термодинамика, как и многие другие физические теории, может быть сформулирована на основе неких теоретических (абстрактных) принципов. Равновесная термодинамика, справедлива для макроскопических аддитивных систем, пришедших в состояние равновесия.

Однако термодинамический подход, из-за своей простоты и строгости, можно попытаться применить и к системам, в которых классическая термодинамика неприменима. Открытые системы, такие как живая клетка, или живой организм, изучает неравновесная термодинамика.

Нидерландский физик Хейке ОннесКамерлинг-Оннес) (1853-1926), организатор и первый директор криогенной лаборатории (лаборатории низких температур) в г. Лейден, первым достиг температур, близких к абсолютному нулю и впервые (1908 г.) получил жидкий гелий. В 1911 г. Оннесобнаружил, что при понижении температур до температур жидкого гелия, около –269 С (4К) происходит резкое падение сопротивления металлов электрическому току (Нобелевская премия 1913 г.) Это явление было названо сверхпроводимость.

Теоретическое объяснение было дано в 1967 г. Переход в сверхпроводящее состояние связан с образованием пар электронов (куперовских пар) в результате их притяжения к друг другу (эффект Купера, в 1956 предсказан американским физиком-теоретиком Л.Купером (род. 1930, Нобелевская премия 1972 г.). Это притяжение отрицательно заряженных частиц вызвано внешними силами, колебаниями ионов кристаллической рештки. Электрический ток есть направленное движение электрических зарядов. При возникновении сверхпроводимости движущимися становятся не электроны, а новые квази (как бы) частицы – связанные пары электронов.

В 70-х годах в швейцарском отделении фирмы IBM (International Business Machines), были обнаружены материалы обладающие сверхпроводимостью при температуре на 100 градусов выше (–170С). В конце 80-х была обнаружены керамические материалы на основе оксидов редкоземельных металлов, которые имеют сверхпроводящие свойства при температурах приближающихся к комнатной температуре (~300 К). Механизм высокотемпературной сверхпроводимости пока неизвестен.

Кризис классического естествознания В конце XIX – начале XX века в результате развития термодинамики, квантовой механики, открытия новых необъяснимых явлений – рентгеновского излучения, излучения солей урана (радиоактивности) стало понятно, что принципы классической механики и классической физики должны быть заменены новыми принципами. Экспериментальная кривая спектра излучения нагретого тела (абсолютно чрного тела), Рис. 7, не совпадала с теоретической кривой даваемой классической физикой. При длинах волн приближающихся к нулю теоретические значения стремились к бесконечности, а экспериментальные к нулю.

Другой проблемой был следующий вывод, который следовал из классической физики: «если мир это машина то, в соответствии с законами термодинамики, она должна со временем остановиться».

Все эти открытия подготавливали переворот в науке, который называется третья научная революция.

Проскурин С.Г. КСЕ

ЭЛЕКТРИЧЕСТВО И МАГНЕТИЗМ

Электрический заряд Тела имеют электрические заряды и магнитные моменты, а значит может взаимодействовать с внешними электромагнитными полями. Наука, изучающая такие взаимодействия, называется классической электродинамикой. В XX в.

была развита и квантовая электродинамика, но мы начнм с классической.

Годом рождения электродинамики можно считать 1820 год. В этом году датский физик Ханс Эрстед (1777-1851) открыл влияние провода с электрическим током на магнитную стрелку. Электрический заряд есть количественная характеристика, показывающая степень возможного участия тела в электромагнитных взаимодействиях. Единица измерения заряда в общепринятой в современной науке международной системе единиц (СИ – система интернациональная) измеряется в кулонах. Впервые электрический заряд был использован в законе Кулона в 1785 году. Названия даны по имени известного французского инженера и физика Шарля Кулона (1736-1806), основателя электростатики, и изобретателя прибора называемого крутильные весы, использованные для измерения заряда.

Классическая электродинамика это раздел физики, изучающий взаимодействие электрических зарядов, в покое и в движении, друг с другом, а также с внешними электрическими и магнитными полями. Электродинамика изучает законы взаимодействия электрических зарядов, полей и токов в вакууме и в среде. Электростатика и магнитостатика изучают статические силы возникающие в неподвижном состоянии зарядов и токов. Излучение и распространение электромагнитного излучения также изучаются в рамках электродинамики. Носителями электрического заряда являются электрически заряженные элементарные частицы, в том числе электрон – элементарный отрицательный электрический заряд, и протон – элементарный положительный заряд.

Вращение кольцеобразных проводников с током в магнитном поле приводит к возникновению электродвижущей силы (ЭДС). В 1831 г. это продемонстрировал английский переплтчик книг, впоследствии физик, субстанции – электрического поля. Возникло новое понятие физическое поле – это особая форма материи, существующая вокруг тел или частиц, обладающих электрическим зарядом, а также в свободном виде в электромагнитных волнах.

Электрическое поле это особая форма материи, оно непосредственно невидимо, но может наблюдаться по его действию на тела и частицы с помощью приборов.

Основным действием электрического поля является ускорение тел или частиц, обладающих электрическим зарядом.

Электромагнитное поле Для того, чтобы создать статическое электрическое поле, нужно накопить электрический заряд. Это можно сделать натерев какой-нибудь диэлектрик о натуральную шерсть или что-нибудь подобное, например, кусок янтаря (греч.

elektron – янтарь), пластиковую ручку о собственные волосы. На ручке создастся заряд, а вокруг – электрическое поле. Заряженная ручка будет притягивать к себе мелкие обрывки бумаги. Если натирать о шерсть предмет большей ширины, например, резиновую ленту, то в темноте можно увидеть мелкие искры, возникающие вследствие электрических разрядов.

Электрическое поле часто возникает возле телевизионного экрана при включении или выключении телепримника. Это поле можно почувствовать по его действию на волосы на голове или руках.

Электрическое поле можно рассматривать и как некую теоретическую (математическую) модель, описывающую значение величины напряженности электрического поля в данной точке пространства. Считается, что поле не является некой разновидностью вещества, но является материальным, оно оказалось чрезвычайно важной концепцией и сыграло огромную роль в развитии физики.

Электрическое поле является одной из составляющих единого электромагнитного поля и проявлением электромагнитного взаимодействия.

Эффект поля состоит в том, что под действием некой внешней электрической силы изменяется концентрация свободных носителей заряда в приповерхностной области полупроводника. К сожалению, даже современная наука еще не достигла понимания физической сущности электрического, магнитного и гравитационного полей, а также их взаимодействия друг с другом.

Пока еще только описаны результаты их воздействия (механического воздействия) на зараженные тела.

Вопрос о реальности существования электрического поля на самом деле очень важен, и до сих пор обсуждается. Его можно назвать философским или даже метафизическим вопросом. В науке концепция существования физического поля оказалась чрезвычайно важным и принципиально новым достижением физики XIX в.

Магнитное поле есть составная часть электромагнитного взаимодействия, создающая силу, перпендикулярную направлению движения заряженной частицы. Векторная величина, образующая в пространстве поле с нулевой дивергенцией (расхождения поля). При этом сила, действующая на движущуюся в магнитном поле частицу, пропорциональна заряду частицы и векторному произведению поля и скорости движения частицы. Магнитное поле формируется движущимися электрическими зарядами, собственными магнитными моментами частиц и изменяющимся электрическим полем.

Магнитное поле имеют звзды и планеты, наша планета Земля.

Электромагнитная индукция (лат. inductio – наведение) это возникновение электродвижущей силы (ЭДС) в проводнике, находящемся в изменяющемся магнитном поле. Английский физик Майкл Фарадей (1791-1867) обнаружил, что электродвижущая сила, возникающая в замкнутом проводнике (контуре) пропорциональна скорости изменения магнитного потока через поверхность, ограниченную этим проводником. Величина ЭДС не зависит от того, что является причиной изменения потока – изменение самого магнитного поля или движение проводника в неоднородном магнитном поле. Электрический ток вызванный ЭДС называется индукционным током. Согласно закону электромагнитной индукции Фарадея (в системе СИ):

ЭДС – электродвижущая сила, действующая вдоль произвольно выбранного контура, Ф – магнитный поток через поверхность, окружающую этот контур.

Знак минус в формуле отражает правило (или закон) Ленца, который определяет направление индукционного тока. Этот закон открыл российский физик Эмилий Христианович Ленц (1804-1865).

Уравнения Максвелла Индукционный ток всегда имеет такое направление, что создаваемый им магнитный поток компенсирует изменения внешнего магнитного потока.

Правило Ленца также является следствием закона сохранения энергии. Для катушки, находящейся в переменном магнитном поле, закон Фарадея можно записать следующим образом:

где N – число витков катушки. В дифференциальной форме закон Фарадея для вакуума можно записать в следующем виде:

Это уравнение есть одно из четырх основных уравнений электродинамики, которые называются уравнения Максвелла. В современной физике они являются основными уравнения классической электродинамики, описывающие эволюцию электромагнитного поля и его взаимодействие с электрическими зарядами и токами. Эти уравнения являются основными (фундаментальными) законами электродинамики, в 1864 г. их опубликовал британский физик Джеймс Максвелл (1831-1879). Четыре уравнения Максвелла – это система уравнений (формализованная теория), записываемая вместе с соответствующими граничными и начальными условиями, является фундаментальной теорией дедуктивного типа, аналогичная той которая была создана в классической механике Ньютоном.

Для простоты изложения мы приведм эти уравнения в форме справедливой только для пустого свободного пространства (вакуума), в той его части где отсутствуют заряды и токи, а присутствуют только электрическое Е, и магнитное Н, поля:

Несмотря на кажущуюся сложность этих уравнений, они просто аналитически выражают всем известные принципы изменения возникновения магнитного поля при изменении электрического, и возникновения электрического поля при изменении магнитного. Попробуем их объяснить. div – означает дивергенция или расхождение поля, а rot – ротор, означает вращение поля. Первые два уравнения означают, что вращение поля Е ведт к изменению во времени поля Н, производная по времени не равна нулю. Верно и обратное, вращение поля Н ведт к изменению во времени поля Е, производная по времени не равна нулю. Константы о и о – являются коэффициентами пропорциональности, определяются экспериментально и являются мировыми константами. Из этих уравнений следует постоянство скорости света, в 1865 г.

Максвелл получил величину равную 310740 км/c, что довольно близко к современному значению.

Два других уравнения означают, что расхождение (дивергенция) полей равно нулю. Т.е. если мы возьмм замкнутую сферу, то поле входящее в не будет равно полю выходящему из не, при условии, что внутри этой сферы отсутствуют электрические заряды. Заметим, что в вакууме это справедливо, а магнитных зарядов в природе нет (науке не известно).

Несмотря на очевидные, наблюдаемые различия электрических и магнитных полей, симметрия уравнений Максвелла наводит на мысль, что они лишь два проявления одного и того же типа физических взаимодействий. Эта симметрия становится ещ более явной в релятивистски-инвариантной (см. теория относительности) четырхмерной (пространство-время) форме записи уравнений Максвелла. Мы их рассматривать не будем. Как показывается в квантовой теории поля, электромагнитные взаимодействия действительно едины, поскольку описываются единым электромагнитным полем. Разделение их на электрические и магнитные силы произошло из-за кажущихся отличий полученных в классических экспериментах и зависит от выбора системы отсчта.

Осознание единства электрического и магнитного полей произошло только в XX в. и явилось первым примером объединения в теории поля (теории фундаментальных взаимодействий). В настоящее время доказано, что электромагнитное и слабое взаимодействия при высоких энергиях объединяются в единое электрослабое взаимодействие.

Электромагнитное излучение Электромагнитные волны или электромагнитное излучение – есть распространяющееся в пространстве возмущение электрических и магнитных полей. Наиболее известным примером электромагнитного излучения является свет. Скорость распространения электромагнитного излучения равна скорости света с, которая может быть получена из двух констант уравнений Максвелла:

Электромагнитное излучение принято делить по частотным диапазонам, см.

Рис. 8 и 9. Между диапазонами нет резких переходов, они иногда перекрываются, а границы между ними определяются условно. Поскольку скорость распространения излучения постоянна, то частота его колебаний жстко связана с длиной волны в вакууме. Ультракороткие радиоволны принято разделять на метровые, дециметровые, миллиметровые и субмиллиметровые.

Волны с длиной < 1 метра (частота > 300 МГц) принято также называть микроволнами или волнами сверхвысоких частот (СВЧ).

Рассмотрим особенности электромагнитного излучения различных диапазонов. Электромагнитное излучение различных частот различается по способу генерации и прима. Из-за больших значений распространение радиоволн можно рассматривать без учта атомистического строения среды.

Исключение составляют только самые короткие радиоволны, примыкающие к инфракрасному участку спектра. В радиодиапазоне редко сказываются и квантовые (корпускулярные) свойства излучения.

Радиоволны возникают при протекании по проводникам (антеннам) переменного тока соответствующей частоты. И наоборот, проходящая в пространстве электромагнитная волна возбуждает в проводнике (антенны) соответствующий ей переменный ток. Это свойство используется в радиотехнике при конструировании антенн радио примников и радиопередатчиков.

Видимое, инфракрасное и ультрафиолетовое излучения составляют так называемую оптическую область спектра в широком смысле этого слова.

Выделение такой области обусловлено не только близостью соответствующих участков спектра, но и сходством приборов, применяющихся для е исследования и разработанных главным образом при изучении видимого света (линза, зеркало, призма, дифракционная рештка, интерференционные приборы).

В оптической области спектра частоты уже перестают быть малыми по сравнению с собственными частотами атомов и молекул, а длины волн большими по сравнению с молекулярными размерами и межмолекулярными расстояниями. Благодаря этому в этой области становятся существенными явления, обусловленные атомистическим строением вещества. По этой же причине, наряду с волновыми, проявляются и квантовые свойства света.

Излучение оптического диапазона возникает при нагревании тел (инфракрасное излучение называют также тепловым) из-за теплового движения атомов и молекул. Чем сильнее нагрето тело, тем выше частота его излучения.

При определнном нагревании тело начинает светиться (см. Рис 7.) в видимом диапазоне, сначала красным цветом, потом жлтым, потом белым, потом бледно-голубым. И наоборот, излучение оптического спектра оказывает на тела тепловое воздействие, нагревает их.

Самым известным источником оптического излучения является Солнце. Его поверхность (фотосфера) нагрета до температуры 6-7 тыс. градусов и светит ярко-жлтым светом. До такой же температуры (6000 градусов) нагрета мантия Земли.

Именно потому, что человек сформировался возле такой звезды как Солнце, этот участок спектра электромагнитного излучения непосредственно воспринимается нашими органами чувств. Спектр видимого человеческим глазом света близок к спектру излучения проходящим через атмосферу Земли.

Кроме тепла, источником и примником оптического излучения могут служить химические и биологические реакции. Одна из известнейших химических реакций, являющихся примником оптического излучения, используется в фотографии (потемнение серебра).

Другой известной фотохимической реакцией является фотосинтез (греч.

photos – свет, synthesis – соединение), превращение зелеными растениями и фотосинтезирующими микроорганизмами лучистой энергии Солнца в энергию химических связей органических веществ, происходит с участием поглощающего свет пигмента (хлорофилл). Суммарное выражение записывается следующей формулой:

Т.е. шесть молекул углекислоты и шесть молекул воды под действием света преобразуются в одну молекулу глюкозы и шесть молекул кислорода. Благодаря фотосинтезу несколько миллиардов лет назад в первых зеленых организмах в атмосфере Земли появился кислород, возник озоновый экран, создались условия для биологической эволюции.

Энергия кванта В диапазонах рентгеновского и гамма-излучения на первый план выступают квантовые свойства излучения (лат. quantum – сколько). Рентгеновское излучение возникает при торможении быстрых заряженных частиц (электронов, протонов), а также в результате процессов, происходящих внутри электронных оболочек атомов. Гамма-излучение появляется в результате процессов, происходящих внутри атомных ядер, а также в результате превращения элементарных частиц. Оно появляется и при торможении быстрых заряженных частиц.

Границы областей рентгеновского и гамма-излучения могут быть определены лишь весьма условно. Для общей ориентировки можно принять, что энергия рентгеновских квантов лежит в пределах от 20 эВ до 1 МэВ, а энергия гамма квантов больше 0,1 МэВ. Один эВ (электрон вольт) это энергия, которую приобретт электрон пролетая в вакууме разность потенциалов в один вольт.

МэВ – мега электрон вольт, равен миллиону эВ, т.е. 106 эВ.

Квантовые свойства излучения проявляются при взаимодействии излучения с веществом, в частности, испускание и поглощение излучения происходит дискретными порциями.

Квантование – это термин квантовой механики, он означает изменение на некоторое целое фиксированное число, или представление результатов в виде дискретных (ступенчатых) значений координаты, импульса, энергии.

Энергия кванта электромагнитного излучения определяется выражением где h = 6,63·10-34 Дж·с — постоянная Планка, – частота излучения. Легко запомнить, что для длины волны = 1000 нм (1 микрон) энергия соответствующего кванта составляет приблизительно один электрон-вольт (1, эВ). На красном конце видимого спектра формула дат 1,6 эВ, на фиолетовом – 3 эВ.

В современной физике электрический заряд тоже квантуется – изменяется порциями кратными элементарному электрическому заряду. Электрический заряд замкнутой системы сохраняется во времени. Закон сохранения заряда – один из основополагающих законов физики.

ХИМИЯ Роберт Бойль Химию обычно рассматривали как науку о составе и качественном превращении различных веществ. В первое время именно по составу реагирующих веществ пытались объяснить свойства полученных новых веществ. Уже на этом этапе ученые встретились с огромными трудностями. Для того чтобы понять, какие именно первоначальные элементы определяют свойства простых и сложных веществ, надо уметь различать простые и сложные вещества, и потом, определить те элементы, от которых зависят их свойства.

архитектор, инженер Леонардо да Винчи (1452предположил, что воздух не элемент, а фундаментальную работу «Сомнения химика» (англ.

«The Skeptical Chymist»), в которой он отрицал классические представления о составе элементов (земля, воздух, огонь, вода) и взгляды средневековых исследователей на состав (соль, сера, ртуть).