ФКМ
advertisement
Единая физическая картина мира (ФКМ) Мир сложен – Он полон событий, сомнений и тайн бесконечных, И смелых догадок. Как чудо природы Является гений И в хаосе этом Находит порядок. Учитель физики МОУ «СОШ №1» г. Магнитогорска Касалинская А.А. Цель лекции: Раскрыть сложное понятие физической картины мира (ФКМ), вооружить учащихся конкретным знанием, обобщающим весь школьный курс физики, показать материальное единство мира, с одной стороны, и качественное своеобразие форм движения материи и описание их в различных теориях — с другой. Цель физики заключается в отыскании общих законов природы и в объяснении конкретных процессов на их основе. По мере продвижения к этой цели перед учеными постепенно вырисовывалась величественная и сложная картина единства природы. Мир представляет собой не совокупность разрозненных, независимых друг от друга событий а разнообразные и многочисленные проявления одного целого. Физическая картина мира • это система самых общих представлений о строении, взаимодействии и движении материи от уровня элементарных частиц до галактик, описываемых как универсальными, так и специфическими для разных областей основными законами физики. Единая картина складывается из взаимосвязанных механических, полевых, статистических и квантовых представлений • это система представлений о строении, взаимодействии и движении материи, описываемых универсальными и специфическими законами физики Каждая научная картина мира обязательно включает в себя следующие представления: • • • • • • о материи (субстанции); о движении; о пространстве и времени; о взаимодействии; о причинности и закономерности; космологические представления. Основные этапы становления современной естественно-научной картины мира Этап истории Научная картина мира Научные догадки египетских жрецов, составление солнечного календаря. Предсказание солнечных и лунных затмений китайскими мыслителями. 4000 лет до н.э. Разработка семидневной недели и лунного календаря в Вавилоне. 3000 лет до н.э. Первые представления о единой естественно-научной картине мира в античный 2000 лет до н.э. период. Возникновение представлений о материальной первооснове всех вещей. VIII в. до н.э. Создание математической программы Пифагора-Платона. VII в. до н.э. Атомистическая физическая программа Демокрита-Эпикура. VI в. до н.э. Континуалистическая физическая программа Анаксагора-Аристотеля. V в. до н.э. Изложение геоцентрической системы мира К. Птолемеем в сочинении "Альмагест". II в. до н.э. Гелиоцентрическая система строения мира польского мыслителя Н. Коперника. 1543 г. Становление механистической картины мира на основе законов механики И. Келлера XVII в. и И. Ньютона. XIX в. Возникновение электромагнитной картины мира на основе трудов М. Фарадея и Д. XX в. Максвелла. Становление современной естественно-научной картины мира. «Этот мир может состоять из музыкальных нот, так же как из математических формул. Мы пытаемся создать разумную картину мира, в котором мы могли бы чувствовать себя как дома и обрести ту устойчивость, которая недостижима для нас в обыденной жизни» (А. Эйнштейн). «С давних времён, с тех пор, как существует изучение природы, оно имело перед собой в качестве идеала конечную. высшую задачу: объединить пёстрое многообразие физических явлений в единую систему, а, если возможно, то в однуединственную формулу» (М Планк) « Человек стремится каким-то адекватным способом создать себе простую и ясную картину мира. Эти занимается художник, поэт, философ и естествоиспытатель… Важным долгом физиков является поиск тех общих элементарных элементов, из которых… можно получить картину мира» (А. Эйнштейн). Самые первые, донаучные, представления древних об устройстве мира кажутся нам сейчас порой нелепыми и наивными , например, рисунок «Черепаха и слоны», на которых покоится мир, а также «три кита» до сих считаются нами, хотя и в переносном смысле, очень надежным и устойчивым основанием для чего-либо. Но не это главное. Важным является то, что с самого зарождения науки ученые стремились к единому и точному знанию, пытаясь свести многообразие явлений окружающего мира к нескольким простым исходным принципам. В античных космогонических мифах неизменно присутствуют идеи о генетическом единстве мира, родившегося в результате упорядочения первобытного хаоса. Общие контуры и основные принципы построения современной естественнонаучной картины мира Мир в котором мы живем, состоит из разномасштабных открытых систем, развитие которых подчиняется общим закономерностям. При этом он имеет свою долгую историю, в общих чертах известную современной науке. Приведем хронологию наиболее важных событий. 20 млрд лет назад — Большой взрыв. 3 минуты спустя — образование вещественной основы Вселенной (фотоны, нейтрино и антинейтрино с примесью ядер водорода, гелия и электронов). Через несколько сотен тысяч лет — появление атомов (легких элементов). 19—17 млрд лет назад -- образование разномасштабных структур (галактик). 15 млрд лет назад — появление звезд первого поколения, образование атомов тяжелых элементов. 5 млрд лет назад — рождение Солнца. 4,6 млрд лет назад — образование Земли. 3,8 млрд лет назад — зарождение жизни. 450 млн лет назад — появление растений. 150 млн лет назад — появление млекопитающих. 2 млн лет назад — начало антропогенеза. Современной науке известны не только "даты", но во многом и сами механизмы эволюции Вселенной от Большого взрыва до наших дней. Это — фантастический результат. Причем наиболее крупные открытия тайн истории Вселенной осуществлены во второй половине нашего века: предложена и обоснована концепция Большого взрыва, построена кварковая модель атома, установлены типы фундаментальных взаимодействий, построены первые теории их объединения и т. д. Мы обращаем внимание в первую очередь на успехи физики и космологии потому, что именно эти фундаментальные науки формируют общие контуры научной картины мира. Ключевым в физической картине мира служит понятие "материя", на которое выходят важнейшие проблемы физической науки. Поэтому 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. Затем, в XX в., континуальные представления были заменены современными квантовыми. Поэтому можно говорить о трех последовательно сменявших друг друга физических картинах мира. НАУЧНЫЕ ОТКРЫТИЯ Со времени Демокрита атом считался неделимым Открытие электрона (Дж.Томсон) и явления радиоактивности говорили о сложной структуре атома Электромагнитные волны, свет рассматривали как нечто непрерывное Работы Планка, Эйнштейна и Бора вынуждали признать, что свет излучается, распространяется и поглощается в виде отдельных порций, квантов Одной из основ классической механики Ньютона являлось утверждение о том, что масса тела или частицы есть величина постоянная Из преобразований Галилея, лежащих в основе классической механики, следовала абсолютность длины и промежутков времени Классическая механика исходила из того, что предшествующее состояние материальной точки однозначно предопределяет её последующее состояние Из опытов В.Кауфмана и теории относительности Эйнштейна следовала зависимость массы от скорости В классической физике считалось, что законы механики Ньютона применимы к любым движениям любых материальных Создание СТО и квантовой теории показало, что классические законы неприменимы для быстрого движения, характерного для области микромира объектов, а законы справедливы для любых явлений электродинамики электромагнитных СТО Эйнштейна требовала признать, что длина и промежуток времени относительны, различны в разных системах отсчёта Введённое Луи де Бройлем представление о волновых свойствах частиц и опытное подтверждение этой идеи означало, что невозможно однозначно указать, где будет находиться частица в следующий момент времени, что можно указать лишь вероятность её следующего состояния, что нельзя говорить о траектории движения электрона в атоме Физическая картина мира Исходные философские идеи и представления Материя Движение Физические теории Классическая механика Электродинамика Связи между теориями Принцип относительност и Принцип соответствия Принцип дополнительно сти Пространство и время Статистическая физика взаиможейств ие Квантовая физика Принцип причинности И другие Вид Переносчи Участники взаимодейс к взаимодейс твия взаимодейс твия твия Гравитационн ое Гравитон ? (G) Все частицы Электромагнит ное Фотон (γ) Все заряженные частицы Слабое Сильное Векторные бозоны Глюон (g) Все частицы, кроме фотона Адроны Относите Роль льная взаимодейств интенсив ия ность 1 Существование мегамира 1036 Существование макромира 1032 1038 β-распад ядер, превращения элементарных частиц Существование ядер Ведущие учёные - физики Майкл Фарадей Ведущие учёные - физики Пётр Лебедев Анри Беккерель №п/ Названи Вре Ведущие п е ФКМ мя учёные возн икн Основн ые физичес кие теории П Р Е Д С Т А В Л Е Н И Я О движении Достоинств Недостатки О О О О пространс взаимодей причинно законом а тве и ствии сти ерностях врем Простран ство и время – абсолютн ы, независим ы от материи и движения Основное взаимодейс твие – гравитацио нное, принцип дальнедейс твия У каждого явленияпричинная предопред елённост ь Законы механики (Ньютон а, Гука,…) Первая системати зация знаний, выражает материалис тическое понимание мира Простран ство и время – относите льны. Гипотеза абсолют эфира терпит крах Н.Бор, Квантов Сложная Движение – Простран Э.Резерфо ая структура механическ ство и рд, теория, атома и ядра, ое время – А.Эйнште теория элементарных ,тепловое, относите йн, М. относит частиц электромаг льны, Планк, В. ельност Дуализм: нитное, взаимосвя Гейзенбер и, волна взаимопрев заны и г, Э. физическ частица.Взаи ращаемост зависят Шрединге ая мопревращ ь от р статис аемость элементарн материи и тика вещества и ых частиц её поля, поле движения тоже прерывно взаимодейс твия – гравитацио нное и электромаг ,принцип близкодейс твия Формируе тся представ ление о вероятно стно причиннос ти Главная роль- у законов электро магнети зма Наследует ряд идей, дополняет их, вносит Много нового, большое практическ ое примен 4 вида взаимодейс твийгравитацио нное,элект ромаг,силь ное, слабое Причиннос ть вероятно стна, закономер ности статисти ческие, случайнос тьважнейши й атрибут Статис тические законы.з аконы сохранен ия, законы движени я макроте л неприем лимы к микроми ру Демонстри рует черты единства природы О материи 1 МКМ (механист 16ическая 18в картина мира) Г.Галилей И Ньютон Х Гюйгенс,, Н. Коперник, И. Кеплер М. Ломоносо в МатерияМеханика вещество, Ньютона сост из отдельных частиц. атомов Движение – механическ ое перемещен ие частиц и тел 2 ЭМКМ (электром 19агнитная 20в картина мира) Эрстед, А. Ампер, Г. Лоренц, Д Максвелл Г Герц, П. Лебедев, А Эйнштейн Электро динамика , теория относит ельност и Многообраз ие форм движения материи, в тч тепловое,э лектромагн итное 3 КПКМ (квантово 20-полевая 21в картина мира) Материявещество и поле. Веществопрерывно, поленепрерывно Признавалась неизменность материи. Отрицалась связь материи и пространств а-времени; Признание универсально сти законов механики Не объясняет излучения, устойчивост ь атома, тепловое излучение, фотоэффект, спектры Не объясняет разнообразия и свойства элементарны х частиц, нет единой теории поля, не установлена суть единства мира Вселенная и ее масштабы В физике изучается строение материи на первых структурных уровнях и исходные простейшие формы ее движения во всей Вселенной, начиная от элементарных частиц (размеры порядка 10-15 — 10-18 м) и кончая огромными звездными островами — галактиками (размерами порядка 1022 м). Наглядное представление о доступной наблюдению и изучению в настоящее время области Вселенной дает шкала размеров объектов (см рис. ниже). Смещение по этой шкале на одно деление вправо соответствует увеличению размеров (данных в метрах) в 10 раз. Общеизвестна в физической Картине Мира модель иерархии всех вещественных структур систем во Вселенной (атомов и молекул, планетарных и звездных систем), спроецированной на линейную шкалу, которая называется «квантовая лестница (КЛ)». Она покрывает размеры всего сущего, от наименьших измеренных внутриатомных расстояний до размеров всей Вселенной. Чтобы всю Вселенную нанести на карту, которая уместилась бы на одной странице, используется цена деления шкалы размеров систем, нанесенных в логарифмическом масштабе. 10 7 1011 10 26 Галактики Звёздные скопления Макротела(окружаю щие нас тела, планеты ) Молекулы Атомы Ядра Фундаментальные частицы Расстояние, м 10 Энергия связи, эВ Вселенная 10 10 10 15 10 17 Структура основных материальных объектов Область Протяженпространст ность ва области, м Объекты — структурные единицы деления материи Размеры Состав объекта, м объекта Движение внутри объекта составляющих его структурных частей Мегамир 1025 - 1020 Макромир 1020 – 10-8 Микромир 10-8 —10-18 1020 Галактики Планетные системы 1013 звезд. 106 – 10-2 Планеты и тела на Земле. Электромагнитное поле. Гравитационное поле. Молекулы и атомы 10-8 —10-10 Ядра атомов 10-15 Элементарные 0 – 10-15 частицы Звезды Планеты Молекулы и атомы Фотоны Звезд Ядра и электроны Нуклоны --- Электронов и ядер Нуклонов Взаимное превращение частиц Планет Молекул и атомов Список «особенно важных и интересных современных проблем» (Академик В. Л. Гинзбург) Макрофизика • • • • • • • • • • • • • Управляемый ядерный синтез. Высокотемпературная и комнатнотемпературная сверхпроводимость. Металлический водород. Другие экзотические вещества. Двумерная электронная жидкость (аномальный эффект Холла и некоторые другие эффекты). Некоторые вопросы физики твердого тела (гетероструктуры в полупроводниках, переходы металл—диэлектрик, волны зарядовой и спиновой плотности, мезоскопика). Фазовые переходы второго рода и родственные им. Некоторые примеры таких переходов. Охлаждение (в частности, лазерное) до сверхнизких температур. Бозе-эйнштейновская конденсация в газах. Физика поверхности. Кластеры. Жидкие кристаллы. Сегнетоэлектрики. Фуллерены. Нанотрубки. Поведение вещества в сверхсильных магнитных полях. Нелинейная физика. Турбулентность. Солитоны. Хаос. Странные аттракторы. Разеры, гразеры, сверхмощные лазеры. Сверхтяжелые элементы. Экзотические ядра. Список «особенно важных и интересных соврменных проблем» (Академик В. Л. Гинзбург) Микрофизика • Спектр масс. Кварки и глюоны. Квантовая хромодинамика. Кварк-глюонная плазма. • Единая теория слабого и электромагнитного взаимодействия. W– +- и Z0-бозоны. Лептоны. • Стандартная модель. Великое объединение. Суперобъединение. Распад протона. Масса нейтрино. Магнитные монополи. • Фундаментальная длина. Взаимодействие частиц при высоких и сверхвысоких энергиях. Коллайдеры. • Несохранение СР-инвариантности. • Нелинейные явления в вакууме и в сверхсильных электромагнитных полях. Фазовые переходы в вакууме. • Струны. М-теория. Список «особенно важных и интересных современных проблем» (Академик В. Л. Гинзбург) Астрофизика • Экспериментальная проверка общей теории относительности. • Гравитационные волны, их детектирование. • Космологическая проблема. Инфляция. L-член. Связь между космологией и физикой высоких энергий. • Нейтронные звезды и пульсары. Сверхновые звезды. • Черные дыры. Космические струны(?). • Квазары и ядра галактик. Образование галактик. • Проблема темной материи (скрытой массы) и ее детектирования. • Происхождение космических лучей со сверхвысокой энергией. • Гамма-всплески. Гиперновые. • Нейтринная физика и астрономия. Нейтринные осцилляции. Проблемы современной физики • В 1913 году молодой французский математик Э. Картан опубликовал статью, в конце которой он сформулировал в одной фразе фундаментальную, как потом оказалось, физическую концепцию: в природе должны существовать поля, порождаемые плотностью углового момента вращения. В 20-е годы ряд работ в близком к этому направлению опубликовал А. Эйнштейн. К 70-м годам сформировалась новая область физики — теория Эйнштейна — Картана (ТЭК), которая явилась частью теории торсионных полей (полей кручения). В соответствии с современными представлениями электромагнитные поля порождаются зарядом, гравитационные — массой, а торсионные порождаются спином или угловым моментом вращения. Подобно тому, как любой объект, имеющий массу, создает гравитационное поле, так и любой вращающийся объект создает торсионное поле. Проблемы современной физики В настоящее время экспериментальную проверку проходит теория «великого объединения». Согласно этой теории, объединяющей сильное, слабое и электромагнитное взаимодействия, существуют лишь два типа взаимодействий: объединенное и гравитационное. Не исключено, что все четыре взаимодействия являются частными проявлениями взаимодействия. Проблемы современной физики Тенденция в физических теориях: переход от трехмерных объектов к нуль-мерному объекту. Проблемы современной физики На рисунке показана тенденция перехода к объектам, имеющим меньшую размерность. Считается, что в этой тенденции поиска наиболее фундаментального объекта недоставало решающего шага – перехода к нуль-мерному объекту. Эта проблема исследовалась: физический вакуум, в отличие от традиционного понимания, представлен как нульмерный физический объект. Проблемы современной физики На рис. схематически показаны различные уровни материального мира: континуальный вакуум, имеющий первичный статус, поле, имеющее вторичный статус и дискретное вещество, имеющее третичный статус. Так называемый физический вакуум, якобы постоянно генерирующий и поглощающий виртуальные микрочастицы, существует только в квантовой теории как "низшее энергетическое состояние" воображаемого квантованного поля. Физики придумали его для исправления недостатков теории. Проблемы современной физики Физический вакуум является особым видом материи, претендующим на первооснову мира. Авторы исследуют физический вакуум как целостный физический объект, которому не свойственна множественность и разложимость на части. Такой континуальный физический объект является наиболее фундаментальным видом физической реальности. Ученые считают физический вакуум особым состоянием материи, претендующим на первооснову мира. В ряде философских концепций в качестве основы мира рассматривается категория "ничто". Ничто не считается пустотой, а рассматривается как "содержательная пустота". При этом подразумевается, что "ничто", лишенное конкретных свойств и ограничений, присущих обычным физическим объектам, должно обладать особой общностью и фундаментальностью и, таким образом, охватывать все многообразие физических объектов и явлений. Таким образом, "ничто" причисляется к ключевым категориям и отвергается принцип ex nigilo nigil fit (из “ничто” ничего не возникает). Проблемы современной физики Главная цель коллайдера – поиск бозона Хиггса. Что это такое? Если кратко, то ученые пытаются найти частицу, ответственную на наличие массы. В макро-мире физических объектов масса интуитивно понятна: слон большой и тяжелый, а муравей маленький и легкий. Но почему так сильно различаются массы частиц микро-мира? Масса одних частиц на 11 порядков превосходит массу других, а у третьих массы нет вовсе! Официальная современная научная доктрина, так называемая Стандартная Модель, объясняет это следующим образом. Все пространство пронизано неким полем Хиггса. Частицы, двигаясь в этом поле, испытывают сопротивление, и чем больше это сопротивление, тем большую массу приобретает та или иная частица. Иными словами, масса - это что-то типа силы трения, которую испытывает частица о поле Хиггса. Это можно представить как движения шариков в очень вязкой жидкости: некоторые шарики слабо взаимодействуют с полем и «проскакивают» не приобретая массы, другие увязают и приобретают значительную массу. Второстепенные задачи: - Поиск частиц вне Стандартной модели. - Поиск магнитных монополей – частиц, обладающих магнитным полем. - Исследование квантовой гравитации. - Исследование микроскопических черных дыр и излучения Хокинга. Проблемы современной физики Неисчерпаемость знаний о мире Хотя физическая наука охватывает огромную область различных физических явлений, содержит множество законов и выводов, она не является полностью завершенной. Последняя точка в ней никогда не будет поставлена, так как материальный мир многообразен, а знания о нем неисчерпаемы. Современная ФКМ ограничена «снизу», со стороны малых расстояний, но даже в этой области наши знания о природе и строении элементарных частиц пока что далеко не полны. Сейчас с помощью самых мощных ускорителей доступны изучению структурные элементы и их взаимодействия внутри элементарных частиц на расстояниях порядка 10-17 — 10-18 м. В последнее время здесь достигнуты замечательные успехи: открыто сложное строение мезонов и барионов. Оказалось, что они состоят из более «простых» частиц—кварков. Кварки и лептоны сейчас следует рассматривать как элементарные. Ограничена современная ФКМ и «сверху», со стороны больших расстояний, пределами «видимости» в оптические и радиотелескопы. С их помощью получают сведения о строении и движении материи в мегамире до расстояний порядка 1025 — 1026 м. В последнее время, несмотря на скудность информации о таких отдаленных областях Вселенной, и здесь сделаны удивительные открытия. Открыты новые, ранее неведомые человеку объекты: пульсары — нейтронные звезды чрезвычайно высокой плотности, квазары и ядра галактик — объекты с непостижимо большим излучением энергии, природа которых не ясна, и другие. Наконец, Вселенная развивается. Наши знания об эволюции Вселенной, об ее образовании и дальнейшей судьбе, об изменении важнейших физических законов и констант с течением времени также нельзя назвать сейчас окончательными. Попытки построения единой теории поля, предпринятые Эйнштейном и др. физиками во второй четверти 20 в., не привели к созданию новой и цельной ФКМ. Основой такой картины может стать единая теория элементарных частиц и их превращений, предварительные наброски которой сейчас намечаются в физике. Мир похож на коллекцию матрешек вложенных одна в другую. Галактика представляет собой вращающиеся вокруг общего центра звездные скопления, которые в свою очередь представляют планетарные системы. Планеты вращаются вокруг центральной звезды своей планетарной системы. В свою очередь, некоторые планеты имеют спутники, вращающиеся вокруг центральной планеты. Человеческая клетка представляет собой цитоплазму, движущуюся вокруг ядра. Атом представляет собой электроны, движущиеся вокруг ядра. Есть ли предел делимости вещества в микромире и есть ли предел уровня структурных образований в макромире? Науке об этом неизвестно. Очень точно об этом сказал поэт Валерий Брюсов: Быть может, эти электроны – Миры, где пять материков, Искусства, знанья, войны, троны И память сорока веков Еще, быть может, каждый атом Вселенная, где сто планет; Там все, что здесь, в объеме сжатом, Но также то, чего здесь нет. Их меры малы, но все та же Их бесконечность, как и здесь; Там скорбь и страсть, как здесь, и даже Там та же мировая спесь. Если в 1884 году Кельвин говорил, что он не понимает явления, пока не создаст его механической модели, то в 50-х годах советский академик Ландау сказал, что современный физик способен понять то, что он не может себе представить. Осторожнейший Н.Бор об одной из идей квантовой физики выразился: «Она недостаточно сумасшедшая, чтобы казаться правильной!» «Здесь скрыты столь глубокие тайны и столь возвышенные мысли, что, несмотря на старания сотен остроумнейших мыслителей, трудившихся в течение тысяч лет, ещё не удалось проникнуть в них. И радость творческих исканий и открытий всё ещё продолжает существовать!» (Г.Галилей, 16 век) Физическая картина мира — это часть нашего мировоззрения, помогающего правильно ориентироваться в мире, целенаправленно в нем действовать, жить и работать. Вопросы для самопроверки 1.Что такое физическая картина мира? 2.Какие ФКМ знаешь? 3.Как развивались в физике от одной картины мира к другой представления: •О материи? •О движении? •О взаимодействии? •О пространстве и времени? •О причинности? •О закономерностях? 1.В чём состоят достоинства и недостатки каждой ФКМ? 2.Является ли законченной современная картина мира? Используемые ресурсы • http://www.ntpo.com/physics/studies/19.shtml • Косинов Н.В. Физический вакуум и гравитация. Физический вакуум и природа, №4, 2000.. • http://images.yandex.ru/yandsearch?text • http://www.trinitas.ru/rus/doc/0231/008a/02310022.htm • http://elementy.ru/lib/25524 • http://www.assessor.ru/forum/index.php?t=1261 http://www.milogiya2007.ru/mirozdanie.htm http://www.rae.ru • Лем С. Сумма технологий. М.: Мир. 1968 • Мякишев Г.Я. Физика. 11 класс: учеб. для общеобразоват. учреждений: базовый и профил. уровни / Г.Я. Мякишев, Б.Б. Буховцев, В.М. Чаругин; под ред. В.И. Николаева, Н.А. Парфентьевой. – 18-е изд. – М.: Просвещение, 2009. – 399 с.
