Современная физическая картина мира и её основные принципы

      

Министерство  образования Республики Беларусь

Частное Учреждение Образования

« БИП- Институт правоведения»

Могилёвский филиал 
 
 
 
 
 

Контролируемая  самостоятельная  работа

по  дисциплине: Основы современного естествознания

на  тему: Современная физическая картина мира и её основные принципы  
 
 
 
 
 
 
 

Работу выполнила:

студентка 2-го курса

дневного отделения МАЛЮКИНА А.Д.

гр. ПВ-091 
 

Научный руководитель:

доцент ДУБИНЧИК Г.Ф. 
 
 
 
 

Дата сдачи  работы 
 

Могилёв,2011 

     Естествознание, возникшее в ходе научной революции XVI- XVII вв., долгое время было связано с развитием физики. Физика была и остается сегодня наиболее развитой и систематизированной наукой, поэтому она во многом оказала влияние на общее мировоззрение европейской цивилизации, начиная с Нового времени. Создание химической и биологической картин мира произошло лишь в ХХ веке.

    Физическая картина мира, с одной стороны, обобщает все ранее полученные знания о природе, а с другой, вводит в физику новые философские идеи. Длительное время картина мира остается неизменной, но в результате научной революции, ведущей к смене парадигмы, заменяется новой.

    Ключевым в физической картине мира является понятие о материи. Это основная парадигма физики. Смена физической картины мира связана со сменой представлений о материи. В истории физики это происходило два раза. Сначала был совершен переход от атомистических (корпускулярных) представлений о материи к полевым (континуальным), а затем, в ХХ веке, континуальные представления были заменены современными квантовыми.

    Первая  механическая картина мира сложилась в физике в результате научной революции XVI -XVII вв. на основе исследований Г. Галилея, П. Гассенди, Р. Декарта, И. Ньютона.

   Основу механической картины мира составил атомизм, который весь мир, включая человека, представлял как совокупность огромного числа атомов, перемещающихся в пространстве и времени.

    Ключевым понятием механической картины мира было понятие движения, поэтому Ньютон считал законы движения фундаментальными законами мироздания. Решая проблему взаимодействия тел, Ньютон предложил принцип дальнодействия, согласно которому взаимодействие между телами происходит мгновенно на любом расстоянии без материальных посредников. Ньютоном была также предложена концепция абсолютного пространства и времени, т. е. существующих независимо от материи.

    На основе механической картины мира в XVIII начале XIX вв. была разработана земная, небесная и молекулярная механика. Это способствовало быстрому развитию техники. Все это привело к абсолютизации механической картины мира и дальнейшему ее кризису. Попытка распространения методов и законов механики на область тепловых явлений, электричество, магнетизм, жизнь, разум потерпели неудачу и привели к дальнейшей смене физической картины мира.

    Становление электромагнитной картины мира было связано с открытиями М. Фарадея. Изучая электрические и магнитные явления, Фарадей пришел к идее замены корпускулярных представлений о материи континуальными (непрерывными). Он сделал вывод, что электромагнитное поле бесконечно и непрерывно, с точечными центрами электрических зарядов и волновыми движениями в нем. Движение понималось как распространение колебаний в поле, которое подчинялось законами термодинамики.

    Пространство и время перестали быть самостоятельными и независимыми от материи. Изменился взгляд на проблему взаимодействия. Концепция дальнодействия Ньютона была заменена принципом близкодействия Фарадея, в соответствии с которым любые взаимодействия передаются полем непрерывно и с конечной скоростью.

    Новая электромагнитная картина мира объяснила большой круг явлений, но вскоре в физике стали возникать проблемы с объяснением новых открытий: фотоэффекта, линейности спектра атомов, теории теплового излучения, радиоактивности. Появившиеся учения о строении атома противоречили электромагнитной картине мира. Все это привело в начале ХХ века к замене электромагнитной картины мира современной физической.

    В начале ХХ века в физике возникли два взаимоисключающих представления о материи: 1) либо материя абсолютно непрерывна, 2) либо она состоит из дискретных частиц. В 1924 г. Луи де Бройль высказал гипотезу о том, что каждой частице соответствует определенная волна, т. е. каждой частице материи присущи и свойства волны (непрерывность) и дискретность (квантовость). Вскоре эти представления нашли подтверждение в работах Э. Шредингера и В. Гейзенберга.

    Так сложились новые квантовополевые представления о материи, которые определяются сейчас как квантововолновой дуализм, т. е. наличие у каждого элемента материи свойств волны и частицы.

    Современная физическая картина мира окончательно утвердила представления о пространстве и времени как о неразделимом с материей, едином, четырехмерном пространственновременном континууме.

    Спецификой квантовополевых представлений о материи является их вероятностный характер, что соответствует более глубокому уровню познания природных закономерностей.

    Современная физическая картина мира и в настоящее время находится в состоянии становления. С каждым годом к ней добавляются новые элементы, выдвигаются новые гипотезы и развиваются новые теории.

     Принципы современной физики  это общие законы, влияющие на  все физические процессы и  все формы движения материи.  Среди всей группы физических  принципов важнейшим является  принцип симметрии, на основе которого действует закон сохранения физических величин.

    Симметрия широко распространена  в природе и жизни человека. Кристаллы, молекулы пространственных, оптических изомеров, живые организмы  обладают симметрией. На симметрии  во многом основывается такое явление, как красота.

    Симметрия в физике  это свойство физических величин, детально описывающих поведение систем, оставаться неизменными при определенных преобразованиях. Во многих случаях из принципов симметрии логически следуют законы сохранения.

Принципы  симметрии делятся на:

1) внешние или пространственно временные

2) внутренние симметрии.

К внешним симметриям относятся:

   Объективная равноправность всех моментов времени. Это означает, что время однородно и любой момент времени можно взять за начало отсчета. Из этого вытекает закон сохранения энергии.

    Однородность пространства, т. е.  равноправие всех его точек.  Сдвиг в пространстве какой-либо системы не влияет на процессы внутри нее. Из этой симметрии вытекает закон сохранения импульса.

    Изотропность пространства, т. е.  одинаковость его свойств по  всем направлениям. Из этого следует  закон сохранения момента импульса.

   Принцип относительности, определяющий  одинаковость законов природы  во всех системах отсчета. Из  него вытекает сохранение скорости  движения центра масс.

    Обратимость процессов во времени   действует только на уровне  макромира.                     Фундаментальные физические законы не изменяются при обращении знака времени. На уровне микромира наблюдается необратимость процессов. Считают, что это связано с неравновесным состоянием Вселенной.

  Зеркальная  симметрия природы  не изменяет  физических законов любого природного объекта.

   Зарядовое сопряжение  замена частиц на античастицы не изменяет природных процессов.

    Зеркальная симметрия и зарядовое сопряжение сохраняется только при сильных и электромагнитных взаимодействиях, тогда как остальные симметрии выполняются при любых взаимодействиях.

К внутренним симметриям относятся:

1. Неизменность  суммы электрических зарядов  элементарных частиц. В этом состоит  закон сохранения электрического  заряда.

2. Постоянство  числа тяжелых частиц и античастиц  ядра (барионов) не изменяется при любых процессах.

3. Неизменность  числа лептонов и антилептонов (легких частиц) при превращениях  элементарных частиц.

4. Изотопическая  инвариантность  связана с сильным  ядерным взаимодействием между  протонами и нейтронами. Эти частицы различаются только наличием положительного заряда у протона. При сильных взаимодействиях они выступают как одна частица. Поэтому Гейзенберг предложил рассматривать протон и нейтрон как два разных состояния одной частицы  нуклона. Атомы, ядра которых различаются только числом нейтронов, называются изотопами, поэтому данный тип симметрии получил название изотопической.

    На основе теорий Большого  и Суперобъединения физики пришли к идее суперсимметрии, т. е. симметрии, объединяющей все типы элементарных частиц в единое целое на основе теории суперструн и геометрии искривленного пространства.

    Законы симметрии имеют однозначный, динамический характер, не допускающий статистического (вероятностного) разброса физических величин.

    Принцип соответствия был сформулирован Н. Бором в 1923 г. Он определяется тем, что фундаментальные физические теории и законы не являются абсолютно точным отражением действительности. Каждая фундаментальная теория имеет определенные границы применимости.

   По мере развития науки менее точные теории заменяются более точными. Физические теории должны быть преемственны. Никакая новая теория не может быть справедливой, если не содержит предельного случая старой, оправдавшей себя в данной области. Так, классическая механика Ньютона правильно описывает движение в макромире при скоростях намного меньших, чем скорость света. Теория относительности справедлива для описания тел любых уровней с любыми скоростями.

    Каждая физическая теория является относительной истиной. Смена теорий  это процесс приближения к абсолютной истине. Этот процесс никогда не будет полностью завершен из за бесконечной сложности и разнообразия окружающего бытия.

    Принцип дополнительности возник в физике как попытка осознания противоречий микромира, связанных с открытием квантововолнового дуализма. Согласно принципу дополнительности Бора, для полного описания квантовомеханических явлений необходимо применять два взаимоисключающих (дополнительных) набора классических понятий  частиц и волн. Только совокупность таких понятий дает исчерпывающую информацию об объектах микромира.

    Частным выражением принципа дополнительности является соотношение неопределенностей Гейзенберга. Элементарные частиц, совмещающие в себе одновременно свойства частицы и волны не могут рассматриваться как материальные точки. Поэтому их координаты, импульс и энергия могут быть заданы лишь приблизительно, на основе вероятностных законов. Поэтому в модели атома Бора электроны изображены как пространственные облака различной формы.

    Принцип суперпозиции (наложения) имеет важное значение в физике, особенно в квантовой механике. Это допущение, согласно которому результирующий эффект представляет собой сумму эффектов, вызываемых каждым явлением в отдельности. Например, правило параллелограмма, которое применяется для сложения сил, действующих на тело. В классической механике этот принцип не универсален и выполняется лишь приближенно.

   В микромире принцип суперпозиции является фундаментальным, в соответствии с ним складываются альтернативные, исключающие друг друга состояния. Например, при аннигиляция электрона и позитрона принцип суперпозиции допускает возникновение безмассовых незаряженных частиц  фотонов. 

  
 

Список  литературы

1. Горелов  А.А. Концепции современного естествознания. Учебное пособие, практикум, хрестоматия. – М., ВЛАДОС, 1998.