Т5.Концепция физики-1
Т5.Концепция физики-1
 
 М.И. Беляев, 1999-2007 г,©Вверх Концепция физики-2

ТЕМА 5. КОНЦЕПЦИЯ КЛАССИЧЕСКОЙ И
СОВРЕМЕННОЙ ФИЗИКИ
5.1. Уровни строения материи
В современной науке в основе представлений о строении материального мира лежит системный подход, согласно которому любой объект материального мира, будь то атом, планета, организм или галактика, может быть рассмотрен как сложное образование, включающее составные части, организованные в целостность, т. е. представляют собой упорядоченные, структурированные, иерархически организованные системы.
рис. 1−1
Данный рисунок дает самые первые представления о единстве материального мира.
Вещество и поле, пространство и время оказываются тесно взаимосвязаны законами сохранения симметрии.
Эволюция представлений о материи приводится на рисунке ниже.
рис. 1−2
Эволюция представлений о материи наглядно свидетельствует, как натурфилософия разворачивается
в классическую механику, отражающую взаимоотношения и взаимосвязь «вещество-вещество». Следующий этап отражает волновую концепцию материи (электродинамика).
И на современном этапе наука уже совершенно отчетливо осознает единство и взаимосвязь вещества и поля.
5.1.1. СТРУКТУРНОСТЬ И СИСТЕМНОСТЬ МАТЕРИИ
В самом общем случае системные уровни организации материи можно представить в виде следующей схемы.
рис. 1-3
Данный рисунок позволяет осознать единство двух системных уровней организации материи (структурного и функционального).
5.1.2. СТРУКТУРНЫЕ УРОВНИ ВЕЩЕСТВА
Двойственность организации материи проявляется и в двойственности структурных уровней материи.
Вещество-это совокупность микротел, макротел мегател и систем мегател. Из физики известно, что кроме вещества
существует и антивещество. Поэтому между веществом и антивеществом существует следующий баланс взаимоотношений
Из этих рычажных весов непосредственно следует вывод о том, что антивещество тоже может иметь структурные (и функциональные) уровни организации.
* Известно, что материя характеризуется двойственностью. Она проявляется в единстве вещества и поля.
У физиков нет возражений, когда они говорят об веществе и антивеществе. Но почему-то никто не говорит о Поле и Антиполе.
А между тем такой вывод следует непосредственно из свойств рычажных весов.
Взаимодополнительность Вещества и Поля позволяет произвести группировку компонент этого рычажного уравнения и по другому
Однако ниже будем рассматривать структурные уровни организации только применительно к веществу.
рис.2-1
Категория двойственности позволяет осознать единство структурно-функциональной организации вещества на всех уровнях иерархии.
Структурные уровни организации материи в физике (неживая природа), взаимоотношения между этими уровнями, приведены на рисунке ниже.
рис. 2−2
Из этого рисунка видно, что законы сохранения симметрии проявляются на всех уровнях организации материи.
5.1.3. КЛАССЫ МАТЕРИАЛЬНЫХ СИСТЕМ
В естественных науках выделяются два больших класса материальных систем: системы неживой природы и системы живой природы.
В неживой природе в качестве структурных уровней организации материи выделяют:
  • элементарные частицы,
  • атомы,
  • молекулы,
  • поля,
  • физический вакуум,
  • макроскопические тела,
  • планеты и планетные системы,
  • звезды и звездные системы — галактики,
  • системы галактик — метагалактику.
В живой природе к структурным уровням организации материи относят:
  • системы доклеточного уровня — нуклеиновые кислоты и белки;
  • клетки как особый уровень биологической организации, представленные в форме одноклеточных организмов и элементарных единиц живого вещества;
  • многоклеточные организмы растительного и животного мира; надорганизменные структуры, включающие виды,
  • популяции и биоценозы и, наконец,
  • биосферу как всю массу живого вещества.
В природе все взаимосвязано, поэтому можно выделить такие системы, которые включают элементы как живой, так и неживой природы — биогеоценозы.
Естественные науки, начав изучение материального мира с наиболее простых непосредственно воспринимаемых человеком
материальных объектов, переходят далее к изучению сложнейших объектов глубинных структур материи, выходящих за пределы человеческого восприятия и несоизмеримых с объектами повседневного опыта.
Применяя системный подход, естествознание не просто выделяет типы материальных систем, а раскрывает их связь и соотношение.
В науке выделяются три уровня строения материи.
Макромир — мир макрообъектов, размерность которых соотносима с масштабами человеческого опыта: пространственные
величины выражаются в миллиметрах, сантиметрах и километрах,
а время — в секундах, минутах, часах, годах.
Микромир — мир предельно малых, непосредственно не наблюдаемых микрообъектов, пространственная размерность которых
исчисляется от 10-8 до 10-18см,
а время жизни — от бесконечности до 10 —24с.
Мегамир — мир огромных космических масштабов и скоростей, расстояние в котором измеряется световыми годами,
а время существования космических объектов — миллионами и миллиардами лет.
И хотя на этих уровнях действуют свои специфические закономерности, микро-, макро- и мегамиры теснейшим образом взаимосвязаны.
В настоящее время в области фундаментальной теоретической физики разрабатываются концепции, согласно которым объективно существующий мир не исчерпывается материальным миром,
воспринимаемым нашими органами чувств или физическими приборами. Авторы данных концепций пришли к следующему выводу: наряду с материальным миром существует реальность высшего порядка, обладающая принципиально иной природой по сравнению с реальностью материального мира.
С их точки зрения мир высшей реальности определяет структуру и эволюцию материального мира.
Эту концепцию можно выразить, используя тождество
Утверждается, что объектами мира высшей реальности выступают не материальные системы, как в микро-, макро- и мегамирах, а некие идеальные физические и математические структуры, которые проявляются в материальном мире в виде естественно-научных законов.
Эти структуры выступают как носители идеи необходимости, общезначимости и регулярности, выражающих сущность объективных физических законов.
Но одних законов, порожденных такого рода физическими и математическими структурами, явно недостаточно для существования материального мира. Необходимо множество программ, определяющих «поведение» и эволюцию материальных объектов. Подобно тому, как знание уравнений не обеспечивает решения задачи, для чего нужно еще и знание начальных условий, так и в общем случае, наряду с фундаментальными законами, должны существовать дополнительные к ним
сущности — программы.
С точки зрения указанного подхода, каждая материальная система является воплощением некоторой идеальной структуры, а ее эволюция определяется некой программой. Программа предполагает определенную направленность развития, т. е. его цель.
Поскольку любая программа не может возникнуть сама собой, а является продуктом творческого акта, то, как считают некоторые физики-теоретики, Вселенной присущ творческий Разум. С их точки зрения материальный мир есть лишь самый «нижний» слой бытия, взаимодействующий со всеми другими слоями и определяемый ими.
Над миром материальных объектов возвышаются:
— этаж идеальных физических и математических структур, задающих фундаментальные законы природы;
— этаж многочисленных программ, определяющих эволюцию Вселенной в целом и материальных систем в частности;
— этаж духовного мира человека — мира духовной свободы.
Вершиной в иерархической структуре Вселенной является Высший Разум как трансцендентное, т. е. сверхчувственное, сверхличностное - Первоначало всего мироздания, возвышающееся над природой и человеком.
5.2. ФОРМИРОВАНИЕ ВЗГЛЯДОВ НА СТРОЕНИЕ МАТЕРИИ
5.2.1. НАУЧНАЯ КОНЦЕПЦИЯ МЕХАНИКИ НЬЮТОНА
Классическая механика Ньютона сыграла и играет до сих пор огромную роль в развитии естествознания. Она объясняет множество физических явлений и процессов в земных и внеземных условиях и служит основой для мно­гих технических достижений в течение длительного времени. Во многом она определяла мышление и мировоззрение.
В основе классической механики лежит концепция Ньютона. Сущность ее наиболее отчетливо выразил А. Эйнштейн:
«Согласно ньютоновской системе физическая реальность характеризуется понятиями пространства, времени, материальной точки и силы (взаимодействия материальных точек).
В ньютоновской концепции под физическими событиями следует понимать движение материальных точек в пространстве,
управляемое неизменными законами. Материальная точка есть единственный способ нашего представления реальности,
поскольку реальное способно к изменению».
В 1667 г. Ньютон сформулировал три закона динамики, составляющие основной раздел классической механики. Законы Ньютона
играют исключительную роль в механике и являются (как и большинство физических зако­нов) обобщением результатов огромного человеческого опыта,
о чем сам Ньютон образно сказал: «Если я видел дальше других, то потому, что стоял на плечах гигантов».
Законы Ньютона рассматривают обычно как систему взаимосвязанных законов.
рис. 3-1
Первый закон Ньютона: Стремление тела сохранить состояние покоя или равномерного прямолинейного движения называется инертностью, или инерцией. Поэтому первый закон Ньютона называют также законом инерции.
Второй закон Ньютона: ускорение (а), приобретаемое материальной точкой (телом), пропорционально вызывающей его силе и обратно пропорционально массе (m) материальной точки (тела).
Ускорением характеризуется быстрота изменения скорости движения тела.
Масса тела — физическая величина — одна из основных характеристик материи, определяющая ее инерционные (инертная масса) и гравитационные (тяжелая или гравитационная масса) свойства.
Сила — это векторная величина, мера механического воздействия на тело со стороны других тел или полей, в результате которого тело приобретает ускорение или изменяет свою форму и размеры.
Второй закон Ньютона справедлив только в инерциальных системах отсчета. Первый закон Ньютона можно получить из второго.
Действительно, в случае равенства нулю равнодействующих сил (при отсутствии воздействия на тело со стороны других тел) ускорение также равно нулю. Однако первый закон Ньютона рассматривается как самостоятельный закон, а не как следствие второго закона, поскольку именно он утверждает существование инерциальных систем отсчета.
Третий закон Ньютона определяет взаимодействие между материальными точками (телами) и позволяет осуществить переход от динамики отдельной материальной точки к динамике системы материальных точек, характеризующихся парным взаимодействием.
Таковы, в самых общих чертах, классические представления о законах И. Ньютона.
5.2.2. РЫЧАЖНЫЕ ВЕСЫ ЗАКОНОВ МЕХАНИКИ
(Факультатив)
Рассмотрим вначале некоторые самые фундаментальные закономерности в явлениях самой разной природы.
Особенно наглядно эти закономерности проявляются в процессах фазовых переходов системы из одного Состояния в другое Состояние.
рис. 3−2
Универсальные закономерности фазовых переходов обладают замечательными свойствами. Во-первых, все кривые, изображенные на графике взаимосвязаны. Относительно точки пересечения всех кривых проявляется симметрия. Здесь проявляются законы зеркальной симметрии (С-инвариантность) и законы зарядовой симметрии (Р-инвариантность). Одноименные «половинки» кривых соотносятся между собой как «внешнее» и «внутреннее» (СР-инвариантность).
Более того, все эти кривые взаимосвязаны и взаимоуравновешены.
Рассмотрим следующее рычажное уравнение
Это рычажное уравнение характеризует фазовый переход системы из состояния S0 в состояние S*0.
Из графика универсальных зависимостей мы непосредственно видим, что фазовый переход сопровождается изменением МЕРЫ (отношением количества расходуемых исходных продуктов к количеству конечных продуктов)
Изменение Меры характеризуется увеличением конечных продуктов и уменьшением исходных продуктов таким образом, что сумма продуктов остается неизменной (закон сохранения ресурсов). Теперь рычажное уравнение мы можем переписать в следующем виде
При этом возможен и обратный процесс. В этом случае подобные фазовые переходы называют обратимыми.
В одном случае этот процесс будет саморегулируемым. Как только внешняя сила начинает исчезать, фазовый переход начинает трансформироваться в свою противоположность.
В противном случае подобный откат будет снова происходить под воздействием внешней силы, лавинообразно.
Универсальные отношения характеризуют суть рычажных весов Единого закона эволюции двойственного отношения. Эти отношения составляют жизненный стержень всей современной экономики.
Не является исключением из общего правила и законы механики. В механике суть рычажных весов известна как закон Архимеда.
Рычажные весы законов механики отражают принципы их сохранения
Данное тождество отражает Силу взаимодействия двух объектов. Если силы взаимодействующих объектов являются одинаковыми, то сила действия равна силе противодействия и в этом случае вторая перекладина рычажных весов будет единичной, т. е. плечи рычажных весов будут одинаковы, а их отношение друг к другу будет единичным.
Если  же силы будут не равны, то для того, чтобы сбалансировать взаимодействующие объекты, необходимо изменить длину коромысел рычажных весов. В результате мы получим закон рычага
-проигрываешь в силе, выигрываешь в расстоянии;
-выигрывая в силе, проигрываешь в расстоянии.
Рычажные весы двойственного отношения позволяют более глубоко осознать, например, природу всемирного закона тяготения Ньютона. Рассмотрим следующее тождество, в котором «сила действия» будет уравновешена «силой противодействия», с использованием перекладины Меры.
Если отношение «Мера-М1"/"Мера-М2» будет равно единице, то рычажные весы будут находиться в равновесии, если массы взаимодействующих тел будут одинаковыми.
В противном случае возникнет Сила, которая создаст перекладину Меры, уравновешивающую взаимодействующие Объекты.
Это тождество непосредственно отражает третий закон Ньютона: «Сила действия… равна силе противодействия…»
Из этого тождества видно, как Сила осуществляет уравновешивание взаимодействующих масс.
Это тождество отражает природу возникновения категории Силы, природу возникновения законов Ньютона.
Рассмотрим следующее тождество
Из этого тождества можно осознать, что равновесный режим может существовать только в одном случае, когда массы взаимодействующих тел будут равны. Если массы не будут равны, то в тождестве
возникнет дисбаланс. Разделив обе части этого тождества на правую часть тождества (произведя нормировку правой части тождества), мы получим следующую величину дисбаланса.
Если мы теперь разделим тождество на левую часть (нормировка левой части тождества), то мы получим
Здесь знак минус указывает на то, что Сила, порождаемая правой и левой частью имеют различную природу. В одном случае дисбаланс вызывает взаимное притяжение тел (гравитация), в другом -расталкивание тел (антигравитация).
Отметим еще, что закону всемирного тяготения Ньютона полностью аналогичен закон Кулона, отражающего взаимодействие зарядов.
Из этого выражения нетрудно осознать природу взаимодействия электрических зарядов:
одноименные заряды отталкиваются, а разноименные -притягиваются.
5.2.3. ДЕТЕРМИНИРОВАННОСТЬ НЬЮТОНОВСКОЙ КАРТИНЫ МИРА
Механика Ньютона легла в основу механистической картины мира.
рис. 4
Согласно этой картине причина движения во Вселенной — Бог, который подобен часовщику, раз и навсегда заведшему механизм часов.
После этого мир развивается по своим законам, в которых все существующее имеет свою причину (детерминизм) и потому механистическая картина мира является детерминистической.
Причинно-следственный характер такой рисунок можно осознать, используя многомерное причинно-следственное тождество законов сохранения симметрии двойственного отношения «причина-следствие», которое уже приводилось при раскрытии Темы 4 (рис. 3).
рис. 5
В рамках данной картины мира все События и Перемены были взаимосвязаны и взаимообусловлены механическим движением.
Это двойственное отношение порождает многомерные собственные миры, в соответствии с законами сохранения симметрии.
Законы Ньютона гармонически вписываются в этот причинно-следственный мир «Событий и Перемен» и потому позволяют решить многие задачи механики — от простых до сложных. Спектр таких задач значительно расширился после разработки Ньютоном и его последователями нового для того времени математического аппарата — дифференциального и интегрального исчисления, весьма эффективного при решении многих динамических задач и особенно задач небесной механики.
Открытые Ньютоном принципы механики означали переход от натурфилософии к точному экспериментальному описанию процессов (Перемен).
Но чтобы описывать процессы, необходимо задавать координаты тела и его скорость (События), но Перемены рождают новые События и возникает необходимость составления уравнение движения, после чего все последующие События и Перемены определяются уже однозначно, и потому изучение механики отныне свелось к точному математическому описанию процессов.
Согласно современным представлениям классическая механика имеет свою область применения: ее законы выполняются для относительно медленных движений тел, скорость которых много меньше скорости света.
В то же время практика показывает: классическая механика — безусловно истинная теория и таковой останется, пока будет существовать наука.
5.2.4. принцип относительности. инвариантность
Механистическая картина мира содержит в себе не только описанные выше законы Ньютона. Над созданием этой картины трудились и многие другие ученые (рис. 4), заложившие в эту картину многие фундаментальные концепции и принципы.
Инерциальные системы отсчета. Это система отсчета, в которой справедлив закон инерции (первый закон Ньютона): материальная точка, когда на нее не действуют никакие силы
(или действуют силы взаимно уравновешенные), находится в состоянии покоя или равномерного прямолинейного движения.
Всякая система отсчета, движущаяся по отношению к инерциальной системе отсчета поступательно, равномерно и прямолинейно, есть также инерциальная система отсчета.
Таким образом, Первый закон Ньютона утверждает существование инерциальных систем отсчета.
Считается, что система отсчета, движущаяся по отношению к инерциальной системе отсчета с ускорением, не инерциальна и закон инерции в ней не соблюдается.
Принцип относительности и инвариантность. Важную роль в развитии естествознания сыграл принцип
относительности, впервые сформулированный Г. Галилеем (1564−1642) для механического движения.
Механическое движение относительно, и его характер зависит от системы отсчета. Было установлено, что во всех инерциалъных системах отсчета законы классической динамики имеют одинаковую форму;
в этом сущность механического принципа относительности — принципа относительности Галилея. Он означает, что уравнения динамики при переходе от одной инерциальной системы к другой не изменяются, т. е. инвариантны по отношению к преобразованию координат.
Галилей обратил внимание на то, что никакими механическими опытами, проведенными в данной инерциальной системе отсчета, нельзя установить, покоится она или движется равномерно и прямолинейно. Например, сидя в каюте корабля, движущегося равномерно и прямолинейно, мы, не выглянув в окно, не можем определить, движется ли корабль, не выглянув в окно.
А. Пуанкаре распространил принцип относительности на все электромагнитные процессы, а А. Эйнштейн использовал его для специальной теории относительности.
Современная формулировка принципа относительности такова:
все инерциальные системы отсчета равноправны между собой (неотличимы друг от друга) в отношении протекания физических процессов, или, другими словами, физические процессы не зависят от равномерного и прямолинейного движения системы отсчета.
Вместе с принципом относительности в физике утвердились понятия инвариантности, инвариантов и симметрии, а также связь их с законом сохранения и вообще с законами природы.
Инвариантность означает неизменность физических величин или свойств природных объектов при переходе от одной системы отсчета к другой
страницы 1 2 3
© Беляев М. И., «МИЛОГИЯ», 1999-2006г.
Опубликован: 13/04/2006г.,
Сайт ЯВЛЯЕТСЯ ТВОРЧЕСКОЙ МАСТЕРСКОЙ АВТОРА, открытой для всех посетителей.
Убедительная просьба сообщать о всех замеченных ошибках, некорректных формулировках.
Книги «Основы милогии», «Милогия» могут быть высланы в Ваш адрес наложенным платежом,
URL1: www. milogiya2007.ru e-mail: milogiya@narod.ru
Архив 2001 г:URL1: www.newnauka.narod.ru Архив 2006 г: URL1: www. milogiya. narod.ru