Ирина Эланс

Автор который поможет с любыми образовательными и учебными заданиями

Современная естественно-научная картина мира

Содержание.

1.Введение.

2.Последовательность картин мира.

3.Время и пространство,сущность СТО иОТО.

4.Взаимодействия.

4.1.Гравитационное взаимодействие.

4.2.Электромагнитное взаимодействие.

4.3.Сильное взаимодействие.

4.4.Слабое взаимодействие.

5.Излучение и вещество. Волны и частицы.

6.Микромир и мегамир. Наш микромир.

7.Заключение.

8.Литература.

1.Введение

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

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.

Современная естественно-научная картина мира необыкновенно сложна и проста одновременно. Сложна потому, что способна поставить в тупик человека, привыкшего к согласующимся со здравым смыслом классическим научным представлениям. Идеи начала времени, корпускулярно-волнового дуализма квантовых объектов, внутренней структуры вакуума, способной рождать виртуальные частицы, - эти и другие подобные новации придают нынешней картине мира немножко "безумный" вид, что впрочем, является преходящим (когда - то и мысль о шарообразности Земли тоже выглядела совершенно "безумной").Но в то же самое время эта картина величественно проста и стройна. Эти качества придают ей ведущие принципы построения и организации современного научного знания:

-системность,

-глобальный эволюционизм,

-самоорганизация,

-историчность.

Данные принципы построения современной научной картины мира в целом соответствуют фундаментальным закономерностям существования и развития самой Природы.

Системность означает воспроизведение наукой того факта, что наблюдаемая Вселенная предстает как наиболее крупная из всех известных нам систем, состоящая из огромного множества элементов (подсистем) разного уровня сложности и упорядоченности. Системный способ объединения элементов выражает их принципиальное единство: благодаря иерархическому включению систем разных уровней друг в друга любой элемент системы, оказывается, связан со всеми элементами всех возможных систем. (Например: человек - биосфера - планета Земля - Солнечная система - Галактика и т.д.). Именно такой принципиально единый характер демонстрирует нам окружающий мир. Таким же образом организуется соответственно и научная картина мира, и создающее ее естествознание. Все его части ныне теснейшим образом взаимосвязаны - сейчас практически уже нет ни одной "чистой" науки, все пронизано и преобразовано физикой и химией.

Глобальный эволюционизм - это признание невозможности существования Вселенной и всех порождаемых ею менее масштабных систем вне развития, эволюции. Эволюционирующий характер Вселенной также свидетельствует о принципиальном единстве мира, каждая составная часть которого есть историческое следствие глобального эволюционного процесса, начатого Большим взрывом.

Самоорганизация - это наблюдаемая способность материи к самоусложнению и созданию все более упорядоченных структур в ходе эволюции. Механизм перехода материальных систем в более сложное и упорядоченное состояние, по-видимому, сходен для систем всех уровней.

Эти принципиальные особенности современной естественно-научной картины мира и определяют в главном ее общий контур, а также сам способ организации разнообразного научного знания в нечто целое и последовательное.

Однако у нее есть и еще одна особенность, отличающая ее от прежних вариантов. Она заключается в признании историчности, а, следовательно, принципиальной незавершенности настоящей, да и любой другой научной картины мира. Та, которая есть сейчас, порождена как предшествующей историей, так и специфическими социокультурными особенностями нашего времени. Развитие общества, изменение его ценностных ориентации, осознание важности исследования уникальных природных систем, в которые составной частью включен и сам человек, меняет и стратегию научного поиска, и отношение человека к миру.

Революционные преобразования в естествознании означают коренные, качественные изменения в концептуальном содержании его теорий, учений и научных дисциплин при сохранении преемственности в развитии науки и, прежде всего ранее накопленного и проверенного эмпирического материала. Среди них в каждый определенный период выдвигается наиболее общая или фундаментальная теория, которая служит парадигмой, или образцом, для объяснения фактов известных и предсказания фактов неизвестных. Такой парадигмой в свое время служила теория движения земных и небесных тел, построенная Ньютоном, поскольку на нее опирались все ученые, изучавшие конкретные механические процессы. Точно так же все исследователи, изучавшие электрические, магнитные, оптические и радиоволновые процессы, основывались на парадигме электромагнитной теории, которую построил Д.К. Максвелл. Понятие парадигмы для анализа научных революций подчеркивает важную их особенность - смену прежней парадигмы новой, переход к более общей и глубокой теории исследуемых процессов.

2.Последовательность картин мира.

Синтез механики Ньютона, классической термодинамики, статистической физики и учения об электромагнетизме способствовал выявлению и обострению многих противоречий в естествознании.

Вначале были отдельные учения- Заратуштры, Будды, Конфуция, египетских жрецов, в которых фрагментарно затрагивались вопросы взаимоотношений человека и природы. Затем появилось первое системное видение мира - натурфилософия, полная внутренних противоречий. Ограниченность её методологии не позволяла объяснить многие несоответствия с наблюдаемой реальностью. Был абсолютно неясен смысл существования мира. Эти неразрешимые в рамках натурфилософии противоречия способствовали рождению религиозных картин мира. Построенная в них система мировых догм включала многие положения натурфилософии; в Европе это была картина по Аристотелю - Аквинату. В ней также оказалось множество противоречий, которые и ' послужили "точками роста" новых, уже научных воззрений. Начало научного познания мы связываем с именами Коперника, Галилея и многих их :современников. Гений Исаака Ньютона построил основу стройной системы МКМ. Она способствовала и смене мировоззрения, и вере в могущего; человеческого разума, и развитию техники, и становлению науки о живой материи. Но и в этой красоте обнаружились свои нерегулярности, свои "точки роста познания". Это были электромагнетизм и свет, В интенсивных исследованиях стали просматриваться контуры ЭКМ. Одновременно создавались термодинамика и статистическая физика. Первая отлично описывала, как ведет себя электрически нейтральное вещество, вторая исследовала физические механизмы природных процессов.

Электромагнитная картина мира, в полном соответствии с законами эволюции познания, содержала в себе внутренние противоречия. Наряду внутренними почти сразу обозначились и "внешние точки роста".Например, явление внешнего фотоэффекта, открытое Герцем и тщательно изученное А.В. Столетовым, никак не вписывалось в рамки классической электродинамики. Именно эти "точки роста" и составили те саше "степени свободы", которые обеспечили дальнейший прогресс познания. Началом формирования новой системной картины мира послужили глубокие исследования как форм существования материи (пространство и время), так и самой вещественно-полевой сущности материи.

3. Время и пространство. Относительность (сущность СТО и ОТО).

При анализе противоречий прежде всего было осознано, что ньютоновская механика и максвелловская электродинамика по-разному : трактуют проблему взаимодействия частиц. По Ньютону взаимодействие тел происходят мгновенно, и передается с бесконечно большой скоростью через пустое пространство. Само пространство инертно и не оказывает никакого влияния на гравитационное притяжение масс. Иными словами определяющим было представление "дальнодействия". В теории Максвелла утверждалось «близкодействие» , тоесть представление о том, что взаимодействие передается через эфир - особую среду, заполняющую к: пространство. Скорость передачи велика, но конечна и равна скорости света.Близкодействие соответствовало тогдашнему пониманию физической сущности электромагнитного и гравитационного полей.

В математических моделях ситуация выглядела так: уравнения Ньютона бы -ли инвариантны относительно преобразований Галилея,а уравнения Максвелла-относительно преобразований Лоренца. Инвариантность означает неизменность уравнений для явлений, описываемых в инерциальных системах отсчета (ИСО). Преобразования Галилея следили из его принципа относительности, согласно которому все явления механики протекают одинаково во всех ИСО. Время в механике Галилея Ньютона считалось абсолютным, то есть одинаковым для всего мира, -всем представлялось сверхочевидной аксиомой.

Серия специальных экспериментов (Майкельсон,1881год, Майкельсон и Морли, 1887 год) показала, что эфира вообще нет. Стало ясно, что старинные аксиомы об абсолютности пространства и времени подлежат пересмотру. Казавшиеся самоочевидными истины в реальности оказались далеко не такими простыми, какими их полагали тысячи лет, в том числе и выдающиеся ученые 19-го века. Трагизм ситуации был в какой-то мере смягчен разработкой специальной теории относительности (СТО). Новые представления были созданы А. Эйнштейном в В основе его специальной теории относительности—два постулата. Напомним здесь, что в отличие от аксиом постулат - это такая истина которая, вообще говоря, требует доказательств, но в рамках действующей научной теории пока что доказана быть не может. Право на жизнь постулат имеет, если следствия из него подтверждаются в экспериментах, достаточно убедительных для ученых современников. Новые представления были созданы А. Эйнштейном в основе его специальной теории относительности—два постулата.

Напомним здесь, что в отличие от аксиом постулат - это такая истина, которая, вообще говоря, требует доказательств, но в рамках действующей научной теории пока что доказана быть не может. Право на жизнь постулат имеет, если следствия из него подтверждаются в экспериментах, достаточно убедительных для ученых современников.

Первый постулат гласит: «Законы, по которым изменяются состояния я физических систем, не зависят от того, к какой из двух координатных систем, движущихся равномерно и прямолинейно но друг друга, отнесены эти изменения состояния». Это принцип относительности. Он почти повторяет формулировку принципа Галилея здесь речь идет не только о механике, но и обо всех физических явлениях в том числе электродинамических и оптических. И еще скоро законы одинаковы, то и течение самих явлений будет одинаковым.

Второй постулат гласит: "Свет в пустоте всегда распространяется с определенной скоростью "с", не зависящей от состояния движения излучающего тела". "Пустота" в этом постулате трактуется как пространство, свободное от вещества и от полей тяготения.

Главные следствия, вытекающие из этих постулатов, ныне проверены в экспериментах с элементарными частицами. Эти следствия следующие:

1.Одновременность событий - понятие очень относительное. В одних системах событие " А" будет предшествовать событию «Б», а в других системах, наоборот, событие "Б" будет предшествовать событию «А».Разумеется, речь не идет о причинно связанных событиях. Во всех системах сын рождается позже отца.

2.Для стержня, движущегося в направлении своей продольной оси длина l₀, измеренная в неподвижной относительно стержня системе отсчета, и длина l', измеренная в подвижной системе отсчета, связаны между собой соотношением:

Здесь -скорость движения системы относительно неподвижной, с –скорость света , одинаковая во всех ИСО. Это означает, что любое тело, например, стержень, имеет наибольшую длину в той системе отсчета, где неподвижен. Во всех других ИСО его длина, измеренная в направлении движения, будет меньше.

3.Интервалы времени между событиями , измеренные в подвижной и неподвижной ИСО, связаны похожим соотношением:

Интервал времени в движущейся ИСО становится больше, то есть время в этой системе течет медленнее. Какими часами, механическими, электрическими или биологическими, измеряется интервал времени -абсолютно не имеет значения. Эффект замедления есть природное свойство времени.

Таким образом, эти три следствия фактически фиксируют относительность пространства и времени. В СТО раздельное рассмотрение пространства и времени объединено в единый четырехмерный континуум - "пространство-время". Относительность нагляднее всего проявляется в том, что события, одновременные в одной ИСО, неодновременны в другой, что ставит под сомнение наши привычные представления о причинности. Пока скорости малы, все нормально - в едином времени следствие возникает после причины. Но при больших относительных скоростях объектов и связанных с ними ИСО требуется очень тщательный анализ того, что именно, чем именно и где именно измеряется тот или иной параметр объекта.

4. Закон сложения скоростей в релятивистской механике богаче, чем простая сумма векторов. При однонаправленном движении, например, по оси абсцисс, формула сложения скоростей выглядит так:

Здесь, -суммарная скорость тела в неподвижной ИСО,

-скорость тела в подвижной ИСО,

-скорость подвижной СО относительно неподвижной.

Ясно, что если = = , то = !!!

При , << действует механика Ньютона/ где = + .

5. Все материальные объекты обладают энергией и массой, которые пропорциональны друг другу;

Это соотношение А. Эйнштейн получил в серии своих основополагающих работ по теории относительности. Он писал: "масса тела есть мера содержащейся в ней энергии", а "инерция представляет собой свойство энергии вещества'. Следовательно, "излучение переносит инерцию между излучающими и поглощающими телами".

В дальнейшем Эйнштейн создал общую теорию относительно г (ОТО), которая составляет основу современной теории тяготения, В основе ОТО лежит экспериментальный факт равенства массы инертной, фигурирующей во втором законе Ньютона, и массы тяготеющей (тяжелой) той, свойства и проявление которой описывает закон всемирного тяготения. Возведение этого факта в ранг "сильного принципа эквивалентное-привело Эйнштейна к выводу о том, что все физические процессы в истинном поле тяготения и в ускоренной системе отсчета в отсутствии полей тяготения протекают по одинаковым законам.

4.Взаимодествия.

В современной картине мира рассматриваются четыре вида фундаментальных взаимодействий. Рассмотрим основные модели этих взаимодействий.

4.1. Гравитационное взаимодействие. Его макроскопическое проявление есть закон всемирного тяготения. Мы знаем только гравитационное притяжение, а гравитационного отталкивания нет. Под действием сил собственного тяготения возможно развитие возмущений плотности и скорости материальной среды. Это явление гравитационной неустойчивости- движущая причина в формировании структуры Вселенной. В теории гравитационной неустойчивости показывается, что скорость роста возмущений сильно завист от масштаба возмущения. Человечество формировалось и живет в постоянном поле тяготения Земли .Потому так важно изучение процессов адаптации человека к жизни в более слабых гравитационных полях.

4.2.Электромагнитное взаимодействие. Оно существует между частицами, . имеющими электрический заряд. Силы взаимодействия-это сила Кулона и сила Лоренца . Радиус действия электромагнитных сил бесконечен, как и гравитационных полей. Но в отличие от гравитации, в электромагнетизме есть силы притяжения и силы отталкивания. В классическом толковании электромагнитное взаимодействие осуществляются через электромагнитное поле.

4.3. Сильное взаимодействие. Константа этого взаимодействия около10 ,то есть примерно в 1000 раз больше, чем у электромагнитного, но радиус действия не превышает величин в 10¹⁵м. Сильное взаимодействие - весьма короткодействующее. Оно характерно для элементарных частиц, называемых андронами. Всего их насчитывается несколько сотен, самые известные- нейтроны и протоны.

4.4. Слабое взаимодействие. Этот вид взаимодействия сильнее гравитации, но заметно слабее двух других. Константа его равна 10-^14. . Слабое взаимодействие ответственно за взаимопревращение частиц внутри ядер, которое служит основным источником энергии Солнца и большинства звезд.

Все фундаментальные взаимодействия протекают во времени и в пространстве. Если же эти взаимодействия перевести в "энергетическое представление", то, в силу квантованности энергии и соотношения неопределенностей для каждого вида квантованных полей, то есть для каждого вида взаимодействия, должно существовать состояние с минимальной энергией, не равной нулю. Это будет их основное состояние, когда энергия минимальна, но не равна нулю, а все другие величины – импульс , момент им -пульса (угловой момент), электрический заряд и др. равны нулю. Такое состояние носит название "физического вакуума".В нынешнем естествознании изучение взаимодействий с вакуумом составляет одно из приоритетных направлений ; о вакууме стали рассуждать даже в телевизионных передачах.

5.Излучение и вещество. Волны и частицы.

Ещё во время становления электромагнитной картины мира было : довольно подробно изучено так называемое «тепловое излучение». Это электромагнитное излучение, которое испускают и поглощают все вещественные тела при любой температуре, вплоть до самых низких. При больших температурах оно становится видимым, например свечение фотосферы Солнца, свечение раскаленного металла и т.п. Генерация этого излучения происходит за счет внутренней энергии тела, то есть энергии непрерывного и хаотического движения атомов и молекул. С этим фактом связано и его название - тепловое излучение. Оно находится в равновесии с веществом. К концу 19-го века теоретически и экспериментально были установлены основные законы, управляющие этим явлением. Это закон Кирхгофа (1859 г.), согласно которому отношение испускательной способности тела к его поглощательной способности одинаково для всех тел.

Классические эксперименты по дифракции и интерференции света неизменно подтверждали, что свет имеет волновую природу. Сопоставление проявлений квантовых и волновых свойств излучения привело ученых к выводу о том, что "корпускулярно-волновой дуализм" (двойственность) есть важнейшее природное свойство излучения и, возможно, всей материи в целом.

В 1924г. Луи де Бройль сформулировал гипотезу, по которой корпускулярно-волновой дуализм присущ не только излучению, но и всей материи в целом, в том числе и частицам вещества.

С соотношением неопределенности связано три важнейших поло- жения квантовой механики. Во-первых, справедливость этого соотношения означает возможность виртуальных переходов в квантовых системах . Эти виртуальные, то есть мыслимые, но не наблюдаемые процессы могут происходить как с избытком, так и с недостатком энергии в явлениях испускания и поглощения энергии. Во-вторых, если интервал времени конечен , то, как следует из математической модели принципа неопределенности. Иными словами, у системы должна быть нулевая энергия, не позволяющая ни одной системе достичь абсолютного минимума потенциальной энергии. Наличие нулевой энергии типично квантовый эффект. Существования такой энергии в классических картинах не допускается. В-третьих, случайность в поведении частиц- физическая реальность. Следовательно, законы движения могут предсказывать лишь вероятность тех или иных конечных состояний .

За короткое время после своего появления квантовая механика дала возможность понять и описать многие явления в микромире и некоторые макроявления, которые есть следствия действия квантовых законов в ансам- блях частиц, из которых состоит тело. К ним следует отнести теорию электронной проводимости металлов, явления ферромагнетизма, генерации лазерного излучения. Поскольку электроны относятся к фермионам, о применение принципа Паули позволило четко объяснить закономерности периодической системы Менделеева. Химическая периодичность оказалась прямым следствием квантового характера взаимодействия электронов с атомным ядром. Эти достижения теории составили основу многих кардинальных технических решений.

6.Микромир и мегамир.Наш микромир.

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.

На данный момент наукой установлено огромное многообразие материальных объектов, представляющих микро, макро и мега миры, но остается открытым вопрос, исчерпывают ли эти открытия все существующее вообще. С учетом истории человеческого познания и общего духа современной научной картины мира на этот вопрос напрашивается отрицательный ответ. Многообразие материи и её движение бесконечно, при чем не только количественно, но и качественно. Принцип качественной бесконечности природы, означает признание неограниченного многообразие структурных форм материи, различающихся самыми фундаментальными законами бытия.

Микромир-это атомы и то, что меньше их. Мегамир начинается с размеров порядка размеров планеты Земля, и далее до Вселенной.Мы живем в макромире (иногда его еще называют мезомиром-промежуточным по размерам).Параллельно с исследованием микромира, то есть глубинного строения вещества и физических полей развивалась и космология- учение о мегамире.В 1916 году А.Энштейн создал первый вариант теории тяготения, где гравитационные взаимодействия впервые связывались со свойствами пространства-времени . В первом варианте использовалась модель стационарной Вселенной. Затем А.Фридман показал, что более адекватной будет модель нестационарной Вселенной, а Э.Хаббл убедил человечество в том, что Вселенная расширяется. После спектральных исследований космических лучей стало ясно, что химический состав Вселенной всюду одинаков. Все это дало основу размышлениям о старте Вселенной. В 1965 году было открыто реликтовое излучение , родившееся почти сразу же после взрыва. Соответственно, ученый мир создал, а человечество признало теорию большого взрыва, теорию горячей Вселенной. Сегодня она считается общепринятой, но не более того. Общепринятость не есть критерий окончательной истины…Есть и другие теории , например теория холодной Вселенной…

Исследования мегамира позволили нам сформировать первичные представления о месте и роли человека и человечества во вселенной. Мы стали осознавать решающую роль случайностей и неустойчивости в развитии Вселенной и всех ее «подсистем» разного уровня – от удивительных превращений звезд до не менее удивительного процесса закипания воды. Исследования микромира показали, что в этом мире царствуют кванты и вероятности, а наши представления о жестокой и однозначной причинности есть не более чем дань нашей макросущности, нашему эмпирическому восприятию мира.

Так называемое «классическое естествознание» занималось и занимается нашим макромиром. Это то , о чем мы можем не только мыслить, но то что можем и наблюдать. Мы живем в этом мире, в нем же формируются и наши потребности. Макромир-огромный полигон для исследований. И масштабы этих исследований тоже огромны.

7.З А К Л Ю Ч Е Н И Е

Итак, мы выяснили, что:

- Концепции естествознания возникают из естественных наук (физики, химии, биологии) вследствие теоретической интерпретации эмпирических фактов объектов и явлений природы.

- Далее они переносятся в сферу гуманитарных наук, где происходит осмысление знаний, включение их в целостное мировоззрение.

- На основе научных теорий развиваются новые технологии и техника, что называется научно-технический прогресс.

- На основе гуманитарного мировоззрения развиваются образование, общественное сознание.

Один из старинных девизов гласит: “знание есть сила” Наука делает человека могущественным перед силами природы. Великие научные открытия (и тесно связанные с ними технические изобретения) всегда оказывали колоссальное (и подчас совершенно неожиданное) воздействие на судьбы человеческой истории. Такими открытиями были, например, открытия в ХVII в. законов механики, позволившие создать всю машинную технологию цивилизации; открытие в ХIХ в. электромагнитного поля и создание электротехники, радиотехники, а затем и радиоэлектроники; создание в ХХ в, теории атомного ядра, а вслед за ним - открытие средств высвобождения ядерной энергии; раскрытие в середине ХХ в. молекулярной биологией природы наследственности (структуры ДНК) и открывшиеся вслед возможности генной инженерии по управлению наследственностью; и др. Большая часть современной материальной цивилизации была бы невозможна без участия в ее создании научных теорий, научно-конструкторских разработок, предсказанных наукой технологий и др.

В современном мире наука вызывает у людей не только восхищение и преклонение, но и опасения. Часто можно услышать, что наука приносит человеку не только блага, но и величайшие несчастья. Загрязнения атмосферы, катастрофы на атомных станциях, повышение радиоактивного фона в результате испытаний ядерного оружия, “озонная дыра” над планетой, резкое сокращение видов растений и животных – все эти и другие экологические проблемы люди склонны объяснять самим фактом существования науки. Но дело не в науке, а в том, в чьих руках она находится, какие социальные интересы за ней стоят, какие общественные и государственные структуры направляют ее развитие.