Естествознание и динамизм окружающего мира

Министерство образования  и науки Российской Федерации

Федеральное государственное  бюджетное образовательное учреждение

высшего профессионального  образования

«Сибирский государственный  индустриальный университет»

Кафедра социологии, психологии и права

Контрольная работа № 1

                                    Выполнил:

                                          Наумова И. А.

                                                Группа: ЭНМЗ-12

                                         Шифр: 180-12

Новокузнецк

2012

Содержание:

1.Естествознание  и динамизм окружающего мира.

Естествознание  в изменяющемся мире

     Нет смысла  перечислять достижения естествознания - каждый из нас знает рожденные  им технологии и пользуется  ими. И в основном передовые  технологии базируются на естественно-научных  открытиях последних десятилетий  XX века. Но несмотря на ощутимые  достижения, возникают проблемы, вызванные  главным образом осознанием угрозы  экологическому равновесию нашей  планеты. Самые разные сторонники  рыночной экономики согласятся, что свободный рынок не может  защитить слонов в Африке от  охотников или исторические памятники  Месопотамии - от кислотных дождей  и туристов. Только правительства  способны устанавливать законы, стимулирующие обеспечение рынка  всем тем, что нужно человеку, без разрушения среды его обитания.

Но правительства не в  силах проводить подобную политику, если им не помогут ученые и прежде всего ученые, владеющие современным  естествознанием. Нужна связь между  естествознанием и управляющими структурами в вопросах, касающихся окружающей среды, материального обеспечения  и многих других. Наука вмешивается  в политику, особенно в борьбе за чистоту планеты: уровень загрязнений  нужно измерять, нужно прогнозировать их последствия - только так мы можем  узнать о бедах, которые необходимо предотвратить. Только с помощью  самых современных естественно-научных  и в первую очередь физических методов можно следить за толщиной и однородностью озонного слоя, защищающего  человека от ультрафиолетового облучения, только научные исследования помогут  понять причины и следствия кислотных  дождей и смога, сказывающихся на жизни каждого человека. Плоды  наукоемких технологий все больше и  больше внедряются в нашу жизнь. Только наука может дать знания, необходимые  для полета человека на Луну, для  исследования глубин океана, найти  способы избавления человека от тяжелых  заболеваний.

Экономический кризис, подобный кризису в России, - один из источников скептицизма по отношению к науке - неоправданно подрывает веру в  силу науки, существовавшей со времен Возрождения. Но даже в этом случае остается непоколебимой одна из важных особенностей научного знания - наука  и технология, которые оно создает, оказывают огромное влияние на окружающий нас физический мир. Большая часть  мощи науки направлена на пользу человечеству. Может быть, несколько потеряны иллюзии  в отношении науки, но никто не будет отрицать тех благ, которые  она нам принесла.

Естествознание  и окружающая среда

Вместе с никем не опровергнутыми положительными чертами на портрете естествознания возникали и трещины, обусловленные и природой самого знания, и непониманием на данном этапе  каких-то очень важных свойств материального  мира из-за ограниченности познания человека. Скажем, чистые математики сделали  открытие, противоречащее представлениям мыслителей прошлого: случайные, хаотические  процессы можно описать точными  математическими моделями. Причем оказалось, что даже простая модель, оснащенная эффективной обратной связью, настолько  чувствительна к микроскопическим изменениям начальных условий, что  ее будущее становится непредсказуемым. Стоит ли тогда спорить о том, детерминистична ли Вселенная, если строго детерминистская модель дает результаты, не отличные от вероятностных?

Рассмотрим пример с погодой, которая описывается вполне детерминистскими законами. Однако такие законы так  чувствительны к начальным условиям, что больше, чем на несколько дней, погоду предсказать нельзя. И никакое  уточнение формул, увеличение массива  данных изменить этот приговор не могут.

Другой пример. Естествознание охватывает многие общие проблемы энергетики. Разведка нефтяных и газовых месторождений  настолько сложное дело, что общественность и власти не пытаются указать геологам, как им этим заниматься. Вопреки  предсказаниям об истощении запасов  ископаемого топлива разведанные  данные все растут, а обследованы  еще далеко не все перспективные  районы, особенно на дне океана. Так, по одной из оценок, известные нам  запасы нефти и природного газа за период с 1960 по 1990 гг. увеличились соответственно от 25 до 125 и от 60 до 225 млрд. т. Оценки запасов, конечно, различаются, и администратор  всегда может выбрать такую оценку, которая лучше всего отвечает его целям. Но все же серьезные  оценки убеждают: на следующий век  топлива хватит, и даже не понадобятся  новые технологии его добычи. Цены на топливо будут возрастать, но под действием не геологических, а внешнеполитических факторов Вопрос теперь в том, как мы будем использовать ископаемое топливо ибо именно здесь  много проблем.

Приведем пример того, как  наука не может повлиять на ситуацию. Из-за сжигания органического топлива  возникают кислотные дожди. Причины  их возникновения хорошо изучены  и последствия видны каждому - гибнут леса, исчезает все живое  в водоемах. Главный источник кислотных  дождей - автомобильные выхлопы. Но вот результаты недавнего референдума  в Германии: население проголосовало  против ограничения скорости автотранспорта на магистралях, хотя это позволило  бы уменьшить выбросы, не ограничивая  возможности пользоваться автомобилем. Инженеры и ученые создали современный  автомобиль, но пользуются им простые  граждане, и правительство идет им навстречу игнорируя мнение ученых. Перед нами пример социального выбора без всякого учета рекомендаций науки. Пренебрежение рекомендациями ученых равносильно незнанию. А "незнание, как заметил Сенека - плохое средство избавиться от беды".

Понятно, что рыночная экономика  строится на прибыли, фирмы, не прошедшие  испытание рынком, исчезают. Их имущество  скупают фирмы, которые научились  извлекать доходы. Если нет дохода от "чистого" производства, то в  жертву будет принесена природа: мы останемся с грязными воздухом и водой, зараженными почвами, а  этого допускать нельзя. Обществу необходим, механизм производства, который  одновременно работал бы эффективно и следил бы за окружающей средой. Верность этого тезиса доказал многолетний  печальный эксперимент в бывшем СССР и в Восточной Европе. Пренебрежение  вопросами экологии внесло свою лепту  в падение коммунистического  режима - политикам разных стран  стоит над этим задуматься.

Есть еще одна проблема. Страна, загрязняющая природу, страдает от этого, но страдают и другие страны, так как загрязнение воздуха  или воды распространяется и на соседей. И если эта страна идет на расходы  для снижения загрязнений, выходит, что она определенную часть средств  тратит на соседей. Следовательно, надо объединять усилия, обсуждать эти  проблемы с помощью современных  средств связи принимать конкретные меры.

2.Естественнонаучные  картины мира (механическая, электромагнитная, неклассическая, современная эволюционная).

Современная естественно-научная  картина мира является результатом  синтеза систем мира древности, античности, гео- и гелиоцентризма, механистической, электромагнитной картины мира и  опирается на научные достижения современного естествознания.

В конце XIX и начале XX века в естествознании были сделаны крупнейшие открытия, которые коренным образом изменили наши представления о картине мира. Прежде всего, это открытия, связанные со строением вещества, и открытия взаимосвязи вещества и энергии.

Современное естествознание представляет окружающий материальный мир нашей  Вселенной однородным, изотропным и  расширяющимся. Материя в мире находится  в форме вещества и поля. По структурному распределению вещества окружающий мир разделяется на три большие  области: микромир, макромир и мегамир. Для них характерны четыре фундаментальных  вида взаимодействий: сильное, электромагнитное, слабое и гравитационное, которые  передаются посредством соответствующих  полей. Существуют кванты всех фундаментальных  взаимодействий.

Если раньше последними неделимыми частицами материи,

своеобразными кирпичиками, из которых  состоит природа, считали атомы, то в конце прошлого века были открыты  электроны, входящие в состав атомов. Позднее было установлено строение ядер атомов, состоящих из протонов.

В 30-е годы XX века было сделано другое важнейшее открытие, которое показало, что элементарные частицы вещества, например электроны, обладают не только корпускулярными, но и волновыми свойствами. Это явление получило название дуализма волны и частицы - представление, которое никак не укладывалось в рамки обычного здравого смысла.

Таким образом, в современной естественно-научной  картине мира, как вещество, так  и поле состоят из элементарных частиц, а частицы взаимодействуют друг с другом, взаимопревращаются. На уровне элементарных частиц происходит взаимопревращение  поля и вещества. Так, фотоны могут  превратиться в электронно-позитронные  пары, а эти пары в процессе взаимодействия уничтожаются (аннигилируются) с образованием фотонов. Более того, вакуум так же состоит из частиц (виртуальных частиц), которые взаимодействуют как  друг с другом, так и с обычными частицами. Таким образом, исчезают фактически границы между веществом  и полем и даже между вакуумом, с одной стороны, и веществом  и полем, с другой. На фундаментальном  уровне все грани в природе  действительно оказываются условными.

Другая фундаментальная теория современной физики теория относительности, в корне изменившая научное представление  о пространстве и времени. В специальной  теории относительности получил  дальнейшее применение установленный  еще Галилеем принцип относительности  в механическом движении. Важный методологический урок, который был получен из специальной  теории относительности, состоит в  том, что все движения, происходящие в природе, имеют относительный  характер, в природе не существует никакой абсолютной системы отсчета  и, следовательно, абсолютного движения, которые допускала ньютоновская механика.

Еще более радикальные изменения  в учение о пространстве и времени  произошли в связи с созданием  общей теории относительности, Эта  теория впервые ясно и четко установила связь между свойствами движущихся материальных тел и их пространственно-временной  метрикой. Общая теория относительности  показала глубокую связь между движением  материальных тел, а именно тяготеющих масс и структурой физического пространства-времени.

В современной естественнонаучной картине мира наблюдается теснейшая  связь между всеми естественными  науками, здесь время и пространство выступают как единый пространственно-временной  континиум, масса и энергия взаимосвязаны, волновое и корпускулярное движения, в известном смысле, объединяются, характеризуя один и тот же объект, наконец, вещество и поле взаимопревращаются. Поэтому в настоящее время предпринимаются настойчивые попытки создать единую теорию всех взаимодействий.

Как механическая, так и электромагнитная картина мира были построены на динамических, однозначных закономерностях. В  современной картине мира вероятностные  закономерности оказываются фундаментальными, не сводимыми к динамическим.

Появление такого междисциплинарного направления исследований, как синергетика, или учение о самоорганизации, дало возможность, не только раскрыть внутренние механизмы всех эволюционных процессов, которые происходят в природе, но и представить весь мир как  мир самоорганизующихся процессов. Заслуга синергетики состоит, прежде всего, в том, что сна впервые  показала, что процесс самоорганизации  могут происходить в простейших системах неорганической природы, если для этого имеются определенные условия (открытость системы и ее неравновесность, достаточное удаление от точки равновесия и некоторые  другие). Чем сложнее система, тем  более высокий уровень имеют  в них процессы самоорганизации. Главное достижение синергетики  и возникшей на ее основе новой  концепции самоорганизации состоит  в том, что они помогают взглянуть  на природу как на мир, находящийся  в процессе непрестанной эволюции и  развития.

В наибольшей мере новые мировоззренческие  подходы к исследованию естественно-научной  картины мира и его познания коснулись  наук, изучающих живую природу. Переход  от клеточного уровня исследования к  молекулярному ознаменовался крупнейшими  открытиями в биологии, связанные  с расшифровкой генетического кода, пересмотром прежних взглядов на эволюцию живых организмов, уточнением старых и появлением новых гипотез  о происхождении жизни и многого  другого

Все прежние картины мира создавались  как бы извне - исследователь изучал окружающий мир отстранено, вне связи  с собой, в полной уверенности, что  можно исследовать явления, не нарушая  их течения. Такова была веками закреплявшаяся естественнонаучная традиция. Теперь научная картина мира создается  уже не извне, а изнутри, сам исследователь  становится неотъемлемой частью создаваемой  им картины. Очень многое нам еще  неясно и скрыто от нашего взора. Тем  не менее, сейчас перед нами развертывается грандиозная гипотетическая картина  процесса самоорганизации материи  от Большего Взрыва до современного этапа, когда материя познает себя, когда  ей присущ разум, способный обеспечить ее целенаправленное развитие.

Наиболее характерной чертой современной  естественно - научной картины мира является ее эволюционность. Эволюция происходит во всех областях материального мира в неживой природе, живой природе и социальном обществе.

3.Постулаты специальной  теории относительности (СТО). Принципы  относительности и инвариантности. Постулаты СТО. Преобразования  Лоренца.

Классическая механика Ньютона прекрасно описывает  движение макротел, движущихся с малыми скоростями (υ << c). В нерелятивистской физике принималось как очевидный факт существование единого мирового времени t, одинакового во всех системах отсчета. В основе классической механики лежит механический принцип относительности(или принцип относительности Галилея): законы динамики одинаковы во всех инерциальных системах отсчета.Этот принцип означает, что законы динамики инвариантны (то есть неизменны) относительно преобразований Галилея, которые позволяют вычислить координаты движущегося тела в одной инерциальной системе (K), если заданы координаты этого тела в другой инерциальной системе (K'). В частном случае, когда система K' движется со скоростью υ вдоль положительного направления оси x системы K (рис.1), преобразования Галилея имеют вид:

Предполагается, что  в начальный момент оси координат  обеих систем совпадают.

Из преобразований Галилея следует классический закон преобразования скоростей при переходе от одной системы отсчета к другой:

Ускорения тела во всех инерциальных системах оказываются  одинаковыми:

Следовательно, уравнение  движения классической механики (второй закон Ньютона)   не меняет своего вида при переходе от одной инерциальной системы к другой.

К концу XIX века начали накапливаться опытные факты, которые вступили в противоречие с законами классической механики. Большие затруднения возникли при попытках применить механику Ньютона к объяснению распространения света. Предположение о том, что свет распространяется в особой среде – эфире, было опровергнуто многочисленными экспериментами. А. Майкельсон в 1881 году, а затем в 1887 году совместно с Э. Морли (оба – американские физики) пытался обнаружить движение Земли относительно эфира («эфирный ветер») с помощью интерференционного опыта. Упрощенная схема опыта Майкельсона–Морли представлена на рис.2.

В этом опыте одно из плеч интерферометра Майкельсона  устанавливалось параллельно направлению  орбитальной скорости Земли (υ = 30 км/с). Затем прибор поворачивался на 90°, и второе плечо оказывалось ориентированным по направлению орбитальной скорости. Расчеты показывали, что если бы неподвижный эфир существовал, то при повороте прибора интерференционные полосы должны были сместиться на расстояние, пропорциональное (υ / c)². Опыт Майкельсона–Морли, неоднократно повторенный впоследствии со все более возрастающей точностью, дал отрицательный результат. Анализ результатов опыта Майкельсона–Морли и ряда других экспериментов позволил сделать вывод о том, что представления об эфире как среде, в которой распространяются световые волны, ошибочно. Следовательно, для света не существует избранной (абсолютной) системы отсчета.   

В основе О. т.(относительной  теории) лежит принцип относительности, согласно которому в физической системе, приведённой в состояние свободного равномерного и прямолинейного движения относительно системы, условно называется «покоящейся», для наблюдателя, движущегося  вместе с системой, все процессы происходят по тем же законам, что  и в «покоящейся» системе. Говорят, что движущаяся система получается из «покоящейся» преобразованием движения и что принцип относительности  выражает инвариантность (независимость) законов природы относительно преобразований движения.        

 Справедливость принципа  относительности означает, что различие  между состояниями покоя и  равномерного прямолинейного движения  не имеет физического содержания. Если физическая системаВ движется равномерно и прямолинейно (со скоростью V ) относительно системы А, то с тем же правом можно считать, что А движется относительно В (со скоростью V). Термин «принцип относительности» связан с тем, что если преобразованию движения подвергнуть систему движущихся тел, то все относительные движения этих тел останутся неизменными.         

 Наряду с принципом  относительности из опыта известны  и др. принципы инвариантности, или,  как ещё говорят, симметрии,  законов природы. Любой физический  процесс происходит точно так  же:        

 если осуществить его  в любой др. точке пространства; эта симметрия выражает равноправие  всех точек пространства, однородность  пространства;        

 если систему, в  которой происходит процесс, повернуть  на произвольный угол; эта симметрия  выражает равноправие всех направлений  в пространстве, изотропию пространства;         

 если повторить процесс  через некоторый промежуток времени;  эта симметрия выражает однородность  времени.

Лоренца преобразования, в специальной теории относительности — преобразования координат и времени какого-либо события при переходе от одной инерциональной системы отсчета к другой. Получены в 1904 Х. А.  Лоренцом как преобразования, по отношению к которым уравнения классической микроскопической электродинамики сохраняют свой вид. В 1905 А. Эйнштейн вывел их, исходя из двух постулатов, составивших основу специальной теории относительности: равноправия всех инерциальных систем отсчёта и независимости скорости распространения света в вакууме от движения источника света.

Рассмотрим частный случай двух инерциальных систем отсчёта å и  å’ с осями х и x’, лежащими на одной прямой, и соответственно параллельными  другими осями (у и y’, z и z’). Если система å’ движется относительно å с постоянной скоростью u в направлении  оси х, то Л. п. при переходе от å  к å’ имеют вид:

 , 

где с — скорость света в вакууме (штрихованные координаты относятся к системе å’, нештрихованные — к å).

Л. п. приводят к ряду важных следствий, в том числе к зависимости  линейных размеров тел и промежутков  времени от выбранной системы  отсчёта, к закону сложения скоростей  в теории относительности и др. При скоростях движения, малых  по сравнению со скоростью света (u<<c), Л. п. переходят в преобразования Галилея, справедливые в классической механике Ньютона.

4. Начала термодинамики  и невозможность создать вечный  двигатель.

Начала термодинамики — совокупность постулатов, лежащих в основе термодинамики. Эти положения были установлены в результате научных исследований и были доказаны экспериментально. В качестве постулатов они принимаются для того, чтобы термодинамику можно было построить аксиоматически.

Необходимость начал термодинамики  связана с тем, что термодинамика  описывает макроскопические параметры  систем без конкретных предположений  относительно их микроскопического  устройства. Вопросами внутреннего  устройства занимается статистическая физика.

Начала термодинамики независимы, то есть ни одно из них не может быть выведено из других начал.

Перечень  начал термодинамики

Первое начало термодинамики представляет собой закон сохранения энергии в применении к термодинамическим системам.

Второе начало термодинамики накладывает ограничения на направление термодинамических процессов, запрещая самопроизвольную передачу тепла от менее нагретых тел к более нагретым. Также формулируется как закон возрастания энтропии.

Третье начало термодинамики говорит о том, как энтропия ведет себя вблизи абсолютного нуля температур.

Нулевым (или общим) началом  термодинамики иногда называют принцип, согласно которому замкнутая система независимо от начального состояния в конце концов приходит к состояниютермодинамического равновесия и самостоятельно выйти из него не может.

Представление о невозможности  вечного двигателя является одним  из самых важных положений физики, которые школа надежно вкладывает в учащихся. И у многих создается  внутренняя убежденность, что тот, кто  пытается построить вечный двигатель, - или неграмотный, или сумасшедший. При таком подходе мы незаслуженно принижаем роль в развитии науки  и техники многих поколений средневековых  ученых.

Между тем мотивы попыток построения вечного двигателя вполне понятны. Во-первых, создание эффективных и  недорогих машин и источников энергии есть одна из важнейших задач  общества. (Интересно отметить, что  идей и попыток разработки вечного  двигателя не было в Античном мире, несмотря на существование развитых научных школ. Причина проста: широкое  использование дешевой рабочей  силы — рабов.) Первые изобретения  в этой области отмечаются в различных  странах в XII — XIII веках в связи  с потребностями ремесленного производства. Во-вторых, имеется очень сильный  психологический фактор - тот, кому удастся решить эту проблему, облагодетельствует человечество, и его имя останется  в веках. И наконец, в- третьих, каждый может наблюдать вечные, безостановочные  движения в природе: движение Луны, планет, течение рек. Если такое движение имеет место в природе, неужели  же человек с техническим опытом и научными знаниями не сможет создать  искусственный, рукотворный вечный двигатель? Если твоя модель не работает, попытайся внести усовершенствования. Такие мысли, возможно, подвигали  многих людей, связанных с наукой и техникой, к активным поискам  конструкции вечного двигателя.

Предшественники

Считается, что первая схема вечного  двигателя была предложена индийцем Бхаскара около 1150 года. Как показано на рисунке 1,а, устройство должно было представлять колесо с набором трубок с тяжелой жидкостью (ртутью), закрепленных под некоторым углом к радиусу. По мнению изобретателя, перетекание жидкости в трубках должно было создать несимметрию в распределении грузов, которая и обеспечивала бы вечное вращение. Известный французский архитектор и инженер Виллар д'Оннекур примерно через сто лет предложил аналогичную схему вечного двигателя, показанную на рисунке 1,б. Предполагалось, что нечетное число грузов на колесе обеспечит несимметрию и будет причиной вечного движения. По-видимому, попытки сделать двигатель именно в виде «вечного колеса» опирались на наиболее распространенный в средневековой Европе двигатель - водяное колесо. Одна из модификаций схемы (рис. 1,в) была предложена в 1438 году Мариано ди Жакопо из Сиены (город недалеко от Флоренции - родины Леонардо да Винчи).

Рисунок 1. Различные схемы «вечного колеса»

Работа  Леонардо над проблемой вечного  двигателя

Было бы удивительно, если бы Леонардо да Винчи (1452 — 1519) оказался в стороне  от такой важнейшей проблемы, как  создание вечного двигателя. И он, неизменно добивавшийся успешного  понимания практически любых  явлений, за которые брался, действительно  неоднократно обращался к ней. Сохранившиеся  трактаты и записные книжки Леонардо позволяют увидеть последовательное нарастание уровня его проникновения  в эту сложнейшую проблему.

Первый уровень —  изучение известных или слегка измененных схем вечного двигателя типа колеса с грузами. Леонардо неоднократно бывал в крупнейших университетских центрах Италии - Болонье, Парме, Пизе, Риме, работал в библиотеках, активно общался с коллегами. Не исключено, что он изготавливал и исследовал модели различных известных двигателей. Однако ни один из них почему-то не работал. «Препятствия не могут согнуть меня. Любое препятствие вызывает усилие», — и Леонардо пошел дальше.

Второй уровень —  существенные изменения в схеме  колеса. Внутренняя убежденность в возможности разработки конструкции для получения вечного движения заставила Леонардо да Винчи попытаться добиться положительного результата посредством разумных существенных модификаций известных схем «вечного колеса». «Следы» таких попыток можно найти в его записях, из которых легко понять общую идею - добиться несимметрии вращающего момента с помощью введения дополнительного физического эффекта. Так, в схеме, изображенной на рисунке 2, нижняя часть колеса погружалась в воду, и выталкивающие силы, действующие на полые коробки, должны были бы создать дополнительные усилия, обеспечивающие вращение колеса.