Принципы классической механики. История становления аналитической механики Понятия классической механики

Определение 1

Классическая механика – это подраздел физики, который исследует движение физических тел на основе законов Ньютона.

Базовыми понятиями классической механики являются:

• масса - определяется как основная мера инерции, или способности вещества к сохранению состояния покоя при отсутствии влияния на него внешних факторов;
• сила – действует на тело и изменяет состояние его движения, вызывая ускорение;
• внутренняя энергия - определяет текущее состояние исследуемого элемента.

Другими не менее важными понятиями этого раздела физики выступают: температура, импульс, момент импульса и объем вещества. Энергия механической системы в основном складывается из ее кинетической энергии движения и потенциальной силы, которая зависит от положения действующих в определенной системе элементов. Относительно указанных физических величин функционируют фундаментальные законы сохранения классической механики.

Основатели классической механики

Замечание 1

Основы классической механики были успешно заложены мыслителем Галилеем, а также Кеплером и Коперником при рассмотрении закономерностей быстрого движения небесных тел.

Рисунок 1. Принципы классической механики. Автор24 - интернет-биржа студенческих работ

Интересно, что в течение длительного периода времени физика и механика изучались в контексте астрономических событий. В своих научных работах Коперник утверждал, что правильное вычисление закономерностей взаимодействия небесных тел возможно упростить, если отойти от существующих принципов, которые ранее были заложены Аристотелем, и считать именно отправной точкой для осуществления переход от геоцентрической к гелиоцентрической концепции.

Идеи ученого дальше были формализованы его коллегой Кеплером в трех законах движения материальных тел. В частности, второй закон гласил, что абсолютно все планеты солнечной системы осуществляют равномерное движение эллиптическими орбитами, имеющие главным фокусом Солнце.

Следующий существенный вклад в становлении классической механики был осуществлен изобретателем Галилеем, который, изучая фундаментальные постулаты механического движения небесных тел, в частности под влиянием сил земного притяжения, представил общественности сразу пять универсальных законов физического движения веществ.

Но все же лавры ключевого основателя классической механике современники относят Исааку Ньютону, который в своей известной научное работе «Математическое выражение натуральной философии» описал синтез тех определений по физике движения, которые были ранее представлены его предшественниками.

Рисунок 2. Вариационные принципы классической механики. Автор24 - интернет-биржа студенческих работ

Ньютон понятно сформулировал три основных законов движения, которые были названы в его честь, а также теорию всемирного тяготения, которая подвела черту под исследованиями Галилеем и объяснила феномен свободного падения тел. Таким образом, была разработана новая, более усовершенствованная картина мира.

Основные и вариационные принципы классической механики

Классическая механика предоставляет исследователям точные результаты для тех систем, которые часто можно встретить в повседневной жизни. Но они со временем становятся некорректными для других концепций, скорость которых практически равна скорости света. Тогда в экспериментах необходимо использовать законы релятивистской и квантовой механики. Для объединяющих сразу несколько свойств систем вместо классической механики применяется – теория поля квантов. Для концепций с множеством составляющих, или уровней свободы, изучаемое направление в физике также быть адекватным при использовании методов статистической механики.

На сегодняшний день выделяют такие главные принципы классической механики:

1. Принцип инвариантности относительно пространственных и временных перемещений (поворотов, сдвигов, симметрий): пространство всегда однородно, и на протекании любых процессов внутри замкнутой системы не сказывается ее изначальные местоположения и ориентация относительно материального тела отсчета.
2. Принцип относительности: на протекании физических процессов в изолированной системе не влияет ее прямолинейное движение относительно самой концепции отсчета; законы, которые описывают такие явления, одинаковы в разных разделах физики; сами процессы будут одинаковы, если начальные условия были идентичны.

Определение 2

Вариационные принципы - исходные, основные положения аналитической механики, математически выраженные в виде уникальных вариационных соотношений, из которых как логическое следствие вытекают дифференциальные формулы движения, а также всевозможные положения и законы классической механики.

В большинстве случаев основным признаком, по которому действительное движение возможно выделить из рассматриваемого класса кинематических движений, служит условие стационарности, обеспечивающее инвариантность дальнейшего описания.

Рисунок 4. Принцип дальнодействия. Автор24 - интернет-биржа студенческих работ

Первое из вариационных правил классической механики - принцип возможных или виртуальных перемещений, который позволяет находить правильные позиции равновесия системы материальных точек. Следовательно, эта закономерность помогает решить сложные задачи статики.

Следующий принцип имеет название наименьшего принуждения. Данный постулат предполагает определенное движение системы материальных точек, напрямую связанных между собой хаотичным образом и подверженных любым воздействиям со стороны окружающей среды.

Еще один главный вариационное положение в классической механике - это принцип прямейшего пути, где всякая свободная система находится в спокойном состоянии или равномерного движения вдоль конкретных линий по сравнению с любыми другими дугами, допускаемыми взаимосвязями и имеющими общие начальную точку и касательную в концепции.

Принцип действия в классической механике

Уравнения механического движения Ньютона возможно сформулировать многими методами. Один из них посредством формализма Лагранжа, также называемым лагранжевой механикой. Хотя данный принцип вполне эквивалентен законам Ньютона в классической физике, но толкование действия лучше подходит для обобщений всех понятий и играет важную роль в современной науке. Действительно, этот принцип - комплексное обобщение в физике.

В частности, это полностью понято в рамках квантовой механики. Трактовка квантовой механики Ричардом Фейнманом путем использования интегралов по траекториям базируется на принципе постоянного взаимодействия.

Много проблем в физике можно решить, применяя принцип действия, который способен обнаружить самый быстрый и простой путь для решения поставленных задач.

Например, свет может найти выход через оптическую систему, а траектория материального тела в поле тяготения может быть обнаружена, используя тот самый принцип действия.

Симметрии в любой ситуации можно лучше понять, применяя данное положение, вместе с уравнениями Эйлера-Лагранжа. В классической механике правильный выбор дальнейшего действия возможно экспериментально доказать из законов движения Ньютона. И, наоборот, из принципа действия реализуются на практике ньютоновские уравнения, при грамотном выборе действия.

Таким образом, в классической механике принцип действия считается идеальным эквивалентным уравнениям движения Ньютона. Применение этого метода значительно упрощает решение уравнений в физике, так как он является скалярной теорией, с применениями и производными, которые применяют элементарное исчисление.

Механика - это раздел физики, в котором изучается простейшая форма движения материи - механическое движение , которое заключается в изменении с течением времени положения тел или их частей. Тот факт, что механические явления протекают в пространстве и во времени, находит свое отражение в любом законе механики, содержащем явно или неявно пространственно-временные соотношения - расстояния и промежутки времени.

Механика ставит перед собой две основные задачи :

изучение различных движений и обобщение полученных результатов в виде законов, с помощью которых может быть предсказан характер движения в каждом конкретном случае. Решение этой задачи привело к установлению И. Ньютоном и А. Эйнштейном так называемых динамических законов;

отыскание общих свойств, присущих любой механической системе в процессе ее движения. В результате решения этой задачи были обнаружены законы сохранения таких фундаментальных величин, как энергия, импульс и момент импульса.

Динамические законы и законы сохранения энергии, импульса и момента импульса представляют собой основные законы механики и составляют содержание данной главы.

§1. Механическое движение: исходные понятия

Классическая механика состоит из трех основных разделов - статики, кинематики и динамики . В статике рассматриваются законы сложения сил и условия равновесия тел. В кинематике дается математическое описание всевозможных видов механического движения безотносительно к тем причинам, которые его вызывают. В динамике исследуется влияние взаимодействия между телами на их механическое движение.

На практике все физические задачи решаются приближенно : реальное сложное движение рассматривается как совокупность простейших движений, реальный объект заменяется идеализированной моделью этого объекта и т.д. Например, при рассмотрении движения Земли вокруг Солнца можно пренебречь размерами Земли. В этом случае описание движения значительно упрощается - положение Земли в пространстве можно определить одной точкой. Среди моделей механики определяющими являются материальная точка и абсолютно твердое тело.

Материальная точка (или частица) - это тело, формой и размерами которого в условиях данной задачи можно пренебречь. Любое тело можно мысленно разбить на очень большое число частей, сколь угодно малых по сравнению с размерами всего тела. Каждую из этих частей можно рассматривать как материальную точку, а само тело - как систему материальных точек.

Если деформации тела при его взаимодействии с другими телами пренебрежимо малы, то его описывают моделью абсолютно твердого тела.

Абсолютно твердое тело (или твердое тело) - это тело, расстояния между любыми двумя точками которого не меняются в процессе движения. Иначе говоря, это тело, форма и размеры которого не изменяются при его движении. Абсолютно твердое тело можно рассматривать как систему материальных точек, жестко связанных между собой.

Положение тела в пространстве может быть определено только по отношению к каким либо другим телам. Например, имеет смысл говорить о положении планеты по отношению к Солнцу, самолета или корабля - по отношению к Земле, но нельзя указать их положения в пространстве безотносительно к какому-либо конкретному телу. Абсолютно твердое тело, которое служит для определения положения интересующего нас объекта, называется телом отсчета. Для описания движения объекта с телом отсчета связывают какую-либо систему координат, например прямоугольную декартову систему координат. Координаты объекта позволяют установить его положение в пространстве. Наименьшее число независимых координат, которые необходимо задать для полного определения положения тела в пространстве, называется числом степеней свободы. Так, например, материальная точка, свободно движущаяся в пространстве, имеет три степени свободы: точка может совершать три независимых движения вдоль осей декартовой прямоугольной системы координат. Абсолютно твердое тело имеет шесть степеней свободы: для определения его положения в пространстве нужны три степени свободы для описания поступательного движения вдоль осей координат и три - для описания вращения относительно этих же осей. Для отсчета времени система координат снабжается часами.

Совокупность тела отсчета, связанной с ним системы координат и множества синхронизированных между собой часов образуют систему отсчета.

Возникновение классической механики явилось началом превращения физики в строгую науку, то есть систему знания утверждающую истинность, объективность, обоснованность и проверяемость как своих исходных принципов, так и своих конечных выводов. Это возникновение происходило в XVI-XVII веке и связано с именами Галилео Галилея, Рене Декарта и Исаака Ньютона. Именно они осуществили "математизацию" природы и заложили основы экспериментально-математического взгляда на природу. Они представили природу как множество "материальных" точек, обладающих пространственно-геометрическими (форма), количественно-математическими (число, величина) и механическими (движение) свойствами и связанных причинно-следственными зависимостями, которые можно выразить в уравнениях математики.

Начало превращения физики в строгую науку было положено Г. Галилеем. Галилей сформулировал ряд фундаментальных принципов и законов механики. А именно:

- принцип инерции , согласно которому когда тело двигается по горизонтальной плоскости, не встречая никаких сопротивлений движению, то движение его является равномерным и продолжалось бы постоянно, если бы плоскость простиралась в пространстве без конца;

- принцип относительности , согласно которому в инерциальных системах все законы механики одинаковы и нет возможности, находясь внутри, определить движется ли она прямолинейно и равномерно или покоится;

- принцип сохранения скоростей и сохранения пространственных и временных интервалов при переходе от одной инерциальной системы к другой. Это знаменитое галилеево преобразование .

Целостный вид логико-математически организованной системы основных понятий, принципов и законов механика получила в работах Исаака Ньютона. Прежде всего в работе "Математические начала натуральной философии" В этой работе Ньютон вводит понятия: масса , или количество материи, инерция , или свойство тела сопротивляться изменению состояния покоя или движения, вес , как мера массы, сила , или действие, производимое на тело для изменения его состояния.

Ньютон различал абсолютные (истинные, математические) пространство и время, которые не зависят от находящихся в них тел и всегда равны сами себе, и относительные пространство и время - подвижные части пространства и измеряемые длительности времени.

Особое место в концепции Ньютона занимает учение о силе тяготения или гравитации, в котором он объединяет движение "небесных" и земных тел. Это учение включает утверждения:

Тяжесть тела пропорциональна заключенному в нем количеству материи или массы;

Сила тяжести пропорциональна массе;

Сила тяжести или тяготение и есть та сила, которая действует между Землей и Луной обратно пропорционально квадрату расстояния между ними;

Эта сила тяготения действует между всеми материальными телами на расстоянии.

В отношении природы силы тяготения Ньютон говорил: "Гипотез не измышляю".

Механика Галилея-Ньютона, развитая в работах Д. Аламбера, Лагранжа, Лапласа, Гамильтона... получила в итоге стройную форму, определяющую физическую картину мира того времени. Эта картина основывалась на принципах самотождественности физического тела; его независимости от пространства и времени; детерминированности, то есть строгой однозначной причинно-следственной связи между конкретными состояниями физических тел; обратимости всех физических процессов.

Термодинамика.

Исследования процесса превращения теплоты в работу и обратно, осуществленные в Х1Х веке С. Кално, Р. Майером, Д. Джоулем, Г. Гемгольцем, Р. Клаузиусом, У. Томсоном (лордом Кельвином), привели к выводам, о которых Р. Майер писал: "Движение, теплота..., электричество представляют собой явления, которые измеряются друг другом и переходят друг в друга по определенным законам". Гемгольц обобщает это утверждение Майера в вывод: "Сумма существующих в природе напряженных и живых сил постоянна". Уильям Томсон уточнил понятия "напряженные и живые силы" до понятий потенциальной и кинетической энергии, определив энергию как способность совершать работу. Р. Клаузиус обобщил эти идеи в формулировке: "Энергия мира постоянна". Так, совместными усилиями сообщества физиков был сформулирован фундаментальный для всего физического знания закон сохранения и превращения энергии .

Исследования процессов сохранения и превращения энергии привели к открытию еще одного закона - закона возрастания энтропии . "Переход теплоты от более холодного тела к более теплому, - писал Клаузиус, - не может иметь места без компенсации". Меру способности теплоты к превращению Клаузиус назвал энтропией. Суть энтропии выражается в том, что во всякой изолированной системе процессы должны протекать в направлении превращения всех видов энергии в теплоту при одновременном уравнивании температурных разностей существующих в системе. Это означает, что реальные физические процессы протекают необратимо. Принцип, утверждающий стремление энтропии к максимуму называют вторым началом термодинамики. Первое начало - закон сохранения и превращения энергии.

Принцип возрастания энтропии поставил перед физической мыслью ряд проблем: соотношения обратимости и необратимости физических процессов, формальности сохранения энергии, не способной совершать работу при температурной однородности тел. Все это требовало более глубокого обоснования начал термодинамики. Прежде всего природы тепла.

Попытку такого обоснования предпринял Людвиг Больцман, который пришел, опираясь на молекулярно-атомное представление о природе теплоты, к выводу о статистическом характере второго закона термодинамики, так как вследствие огромного числа молекул, составляющих макроскопические тела, и чрезвычайной быстроты и хаотичности их движения мы наблюдаем лишь средние значения . Определение же средних значений - задача теории вероятностей. При максимальном температурном равновесии максимален и хаос движения молекул, в котором исчезает всякий порядок. Встает вопрос: может ли и, если да, то как, из хаоса снова возникнуть порядок? На это физика сможет ответить лишь через сто лет, введя принцип симметрии и принцип синергии.

Электродинамика.

К середине Х1Х века физика электрических и магнитных явлений достигла определенного завершения. Был открыт ряд важнейших законов Кулона, закон Ампера, закон электромагнитной индукции, законы постоянного тока и т.д. Все эти законы базировались на принципе дальнодействия . Исключением были взгляды Фарадея, который считал, что электрическое действие передается посредством непрерывной среды, то есть на основе принципа близкодействия . Опираясь на идеи Фарадея, английский физик Дж. Максвелл вводит понятие электромагнитного поля и описывает "открытое" им состояние материи в своих уравнениях. "... Электромагнитное поле, - пишет Максвелл, - это та часть пространства, которая содержит в себе и окружает тела, находящиеся в электрическом или магнитном состоянии". Комбинируя уравнения электромагнитного поля, Максвелл получает волновое уравнение, из которого следует существование электромагнитных волн , скорость распространения которых в воздухе равна скорости света. Существование таких электромагнитных волн экспериментально было подтверждено немецким физиком Генрихом Герцем в 1888 г.

Для того, чтобы объяснить взаимодействие электромагнитных волн с веществом, немецкий физик Гендрик Антон Лоренц выдвинул гипотезу о существовании электрона , то есть малой электрически заряженной частички, которая в громадных количествах присутствует во всех весомых телах. Эта гипотеза объяснила открытое в 1896 году немецким физиком Зееманом явление расщепления спектральных линий в магнитном поле. В 1897 году Томсон экспериментально подтвердил наличие мельчайшей отрицательно заряженной частицы или электрона.

Так, в рамках классической физики возникла достаточно стройная и завершенная картина мира, описывающая и объясняющая движение, гравитацию, теплоту, электричество и магнетизм, свет. Это и дало повод лорду Кельвину (Томсону) сказать, что здание физики практически построено, не хватает лишь несколько деталей...

Во-первых, оказалось, что уравнения Максвелла являются неинвариантными относительно преобразований Галилея. Во-вторых, теория эфира, как абсолютной системы координат, к которой "привязаны" уравнения Максвелла, не нашла экспериментального подтверждения. Опыт Майкельсона-Морли показал, что никакой зависимости скорости света от направления в движущейся системе координат нет . Сторонник сохранения уравнений Максвелла Гендрик Лоренц, "привязав" эти уравнения к эфиру, как абсолютной системе отсчета, пожертвовал принципом относительности Галилея, его преобразованиями и сформулировал свои преобразования. Из преобразований Г. Лоренца следовало, что пространственные и временные интервалы неинвариантны при переходе от одной инерциальной системы отсчета к другой. Все бы ничего, но существование абсолютной среды - эфира не подтверждалось, как отмечалось, опытно-экспериментально. Это кризис.

Неклассическая физика. Специальная теория относительности .

Описывая логику создания специальной теории относительности Альберт Эйнштейн в совместной книге с Л. Инфельдом пишет: "Соберем теперь вместе те факты, которые достаточно проверены опытом, не заботясь больше о проблеме эфира:

1. Скорость света в пустом пространстве всегда постоянна, независимо от движения источника или приемника света.

2. В двух системах координат, движущихся прямолинейно и равномерно друг относительно друга, все законы природы строго одинаковы, и нет никакого средства обнаружить абсолютное прямолинейное и равномерное движение...

Первое положение выражает постоянство скорости света, второе обобщает принцип относительности Галилея, сформулированный для механических явлений, на все происходящее в природе". Эйнштейн отмечает, что принятие этих двух принципов и отказ от принципа галилеевского преобразования, так как он противоречит постоянству скорости света, и положило начало специальной теории относительности. К принятым двум принципам: постоянства скорости света и эквивалентности всех инерциальных систем отсчета, Эйнштейн добавляет принцип инвариантности всех законов природы по отношению к преобразованиям Г. Лоренца. Поэтому во всех инерциальных системах справедливы те же самые законы, а переход от одной системы к другой дается преобразованиями Лоренца. Это значит, что ритм движущихся часов и длина движущихся стержней зависит от скорости: стержень сократится до нуля, если его скорость достигнет скорости света, а ритм движущихся часов замедляется, часы совершенно остановились бы, если бы они могли двигаться со скоростью света.

Так из физики были элиминированы ньютоновское абсолютное время, пространство, движение, которые были как бы независимы от движущихся тел и их состояния.

Общая теория относительности.

В цитируемой уже книге Эйнштейн спрашивает: "Можем ли сформулировать физические законы таким образом, чтобы они были справедливы для всех систем координат, не только для систем, движущихся прямолинейно и равномерно, но и для систем, движущихся совершенно произвольно по отношению друг к другу?". И отвечает: "Это оказывается возможным".

Потеряв в специальной теории относительности свою "независимость" от движущихся тел и друг от друга, пространство и время как бы "нашли" друг друга в едином пространственно-временном четырехмерном континууме. Автор континуума математик Герман Минковский опубликовал в 1908 году работу "Основания теории электромагнитных процессов", в которой утверждал, что отныне пространство само по себе и время само по себе должны быть низведены до роли теней, и только некоторый вид соединения обоих должен по-прежнему сохранять самостоятельность. Идея А. Эйнштейна и состояла в том, чтобы представить все физические законы как свойства этого континуума, как его метрику . С этой новой позиции Эйнштейн рассмотрел закон тяготения Ньютона. Вместо силы тяготения он стал оперировать полем тяготения . Поля тяготения были включены в пространственно-временной континуум как его "искривление". Метрика континуума стала неевклидовой, "римановской" метрикой. "Кривизна" континуума стала рассматриваться как результат распределения движущихся в нем масс. Новая теория объяснила не согласующуюся с ньютоновским законом тяготения траекторию вращения Меркурия вокруг Солнца, а также отклонения луча звездного света проходящего вблизи Солнца.

Так из физики было элиминировано понятие "инерциальной системы координат" и обосновано утверждение обобщенного принципа относительности : любая система координат является одинаково пригодной для описания явлений природы .

Квантовая механика.

Вторым, по мнению лорда Кельвина (Томсона), недостающим элементом для завершения здания физики на рубеже Х1Х-ХХ веков было серьезное расхождение между теорией и экспериментом при исследовании законов теплового излучения абсолютно черного тела. Согласно господствующей теории, оно должно быть непрерывным, континуальным . Однако, это приводило к парадоксальным выводам, вроде того, что общая энергия, излучаемая черным телом при данной температуре, равна бесконечности (формула Релея-Джина). Для решения проблемы немецкий физик Макс Планк выдвинул в 1900 году гипотезу, что вещество не может излучать или поглощать энергию иначе, как конечными порциями (квантами), пропорциональными излучаемой (или поглощаемой) частоте. Энергия одной порции (кванта) Е=hn, где n - частота излучения, а h - универсальная константа. Гипотеза Планка была использована Эйнштейном для объяснения фотоэффекта. Эйнштейн ввел понятие кванта света или фотона. Он же предложил, что свет , в соответствии с формулой Планка, обладает одновременно волновыми и квантовыми свойствами. В сообществе физиков заговорили о корпускулярно-волновом дуализме, тем более что в 1923 году было открыто еще одно явление, подтверждающее существование фотонов - эффект Комптона.

В 1924 году Луи де Бройль распространил идею о двойственной корпускулярно-волновой природе света на все частицы материи, введя представление о волнах материи . Отсюда можно говорить и о волновых свойствах электрона, например, о дифракции электрона, каковые и были экспериментально установлены. Однако эксперименты Р. Фейнмана с "обстрелом" электронами щита с двумя отверстиями показали, что невозможно, с одной стороны, сказать, через какое отверстие пролетает электрон, то есть точно определить его координату, а с другой стороны - не исказить картины распределения регистрируемых электронов, не нарушив характера интерференции. Это значит, что мы можем знать или координату электрона, или импульс, но не то и другое вместе.

Этот эксперимент поставил под вопрос само понятие частицы в классическом смысле точной локализации в пространстве и времени.

Объяснение "неклассического" поведения микрочастиц было впервые дано немецким физиком Вернером Гейзенбергом. Последний сформулировал закон движения микрочастицы, согласно которому знание точной координаты частицы приводит к полной неопределенности ее импульса, и наоборот, точное знание импульса частицы - к полной неопределенности ее координаты. В. Гейзенберг установил соотношение неопределенностей значений координаты и импульса микрочастицы:

Dх * DР х ³ h, где Dх - неопределенность в значении координаты; DР х - неопределенность в значении импульса; h - постоянная Планка. Этот закон и соотношение неопределенностей получил название принципа неопределенности Гейзенберга.

Анализируя принцип неопределенностей датский физик Нильс Бор показал, что в зависимости от постановки эксперимента микрочастица обнаруживает либо свою корпускулярную природу, либо волновую, но не обе сразу . Следовательно, эти две природы микрочастиц взаимно исключают друг друга, и в то же время должны быть рассмотрены как дополняющие друг друга, а их описание на основе двух классов экспериментальных ситуаций (корпускулярной и волновой) - целостным описанием микрочастицы. Существует не частица "само по себе", а система "частица - прибор". Эти вывод Н. Бора получили название принципа дополнительности .

Неопределенность и дополнительность оказываются в рамках такого подхода не мерой нашего незнания, а объективными свойствами микрочастиц , микромира в целом. Из этого следует, что статистические, вероятностные законы лежат в глубине физической реальности, а динамические законы однозначной причинно-следственной зависимости лишь некоторый частный и идеализированный случай выражения статистических закономерностей.

Релятивистская квантовая механика.

В 1927 году английский физик Поль Дирак обратил внимание на то, что для описания движения открытых к тому времени микрочастиц: электрона, протона и фотона, так как они движутся со скоростями, близкими к скорости света, требуется применение специальной теории относительности. Дирак составил уравнение, которое описывало движение электрона с учетом законов и квантовой механики, и теории относительности Эйнштейна. Этому уравнению удовлетворяли два решения: одно решение давало известный электрон с положительной энергией, другое - неизвестный электрон-двойник, но с отрицательной энергией. Так возникло представление о частицах и симметричных им античастицах. Это породило вопрос: пуст ли вакуум? После эйнштейновского "изгнания" эфира он казался несомненно пустым.

Современные, хорошо доказанные представления говорят, что вакуум "пуст" только в среднем. В нем постоянно рождается и исчезает огромное количество виртуальных частиц и античастиц. Это не противоречит и принципу неопределенности, который имеет также выражение DЕ * Dt ³ h. Вакуум в квантовой теории поля определяется как наинизшее энергетическое состояние квантового поля, энергия которого равна нулю только в среднем. Так что вакуум - это "нечто" по имени "ничто".

На пути построения единой теории поля.

В 1918 году Эмми Нетером было доказано, что если некоторая система инвариантна относительно некоторого глобального преобразования, то для нее существует определенная сохраняющая величина. Из этого следует, что закон сохранения (энергии) является следствием симметрий , существующих в реальном пространстве-времени.

Симметрия как философское понятие означает процесс существования и становления тождественных моментов между различными и противоположными состояниями явлений мира. Это означает, что, изучая симметрию каких-либо систем, необходимо рассматривать их поведение при различных преобразованиях и выделять во всей совокупности преобразований такие, которые оставляют неизменными, инвариантными некоторые функции, соответствующие рассматриваемым системам.

В современной физике употребляется понятие калибровочной симметрии . Под калибровкой железнодорожники понимают переход с узкой колеи на широкую. В физике под калибровкой первоначально понималось также изменение уровня или масштаба. В специальной теории относительности законы физики не изменяются относительно переноса или сдвига при калибровке расстояния. В калибровочной симметрии требование инвариантности порождает определенный конкретный вид взаимодействия. Следовательно, калибровочная инвариантность позволяет ответить на вопрос: "Почему и зачем в природе существуют такого рода взаимодействия?". В настоящее время в физике определено существование четырех типов физических взаимодействий: гравитационного, сильного, электромагнитного и слабого. Все они имеют калибровочную природу и описываются калибровочными симметриями, являющимися различными представлениями групп Ли. Это позволяет предположить существование первичного суперсимметричного поля , в котором еще нет различия между типами взаимодействий. Различия, типы взаимодействия являются результатом самопроизвольного, спонтанного нарушения симметрии исходного вакуума. Эволюция Вселенной предстает тогда как синергетический самоорганизующийся процесс : в процессе расширения из вакуумного суперсимметричного состояния Вселенная разогрелась до "большого взрыва". Дальнейший ход ее истории пролегал через критические точки - точки бифуркации, в которых происходили спонтанные нарушения симметрии исходного вакуума. Утверждение самоорганизации систем через самопроизвольное нарушение исходного типа симметрии в точках бифуркации и есть принцип синергии .

Выбор направленности самоорганизации в точках бифуркации, то есть в точках самопроизвольного нарушения исходной симметрии не случаен. Он определен как бы присутствующим уже на уровне суперсимметрии вакуума "проектом" человека, то есть "проектом" существа, спрашивающего о том, почему мир таков. Это антропный принцип , который в физике сформулировал в 1962 году Д. Дике.

Принципы относительности, неопределенности, дополнительности, симметрии, синергии, антропный принцип, а также утверждение глубинно-основного характера вероятностных причинно-следственных зависимостей по отношению к динамическим, однозначным причинно-следственным зависимостям и составляют категориально-концептуальную структуру современного гештальта, образа физической реальности.

Литература

1. Ахиезер А.И., Рекало М.П. Современная физическая картина мира. М., 1980.

2. Бор Н. Атомная физика и человеческое познание. М., 1961.

3. Бор Н. Причинность и дополнительность// Бор Н. Избранные научные труды в 2-х т. Т.2. М., 1971.

4. Борн М. Физика в жизни моего поколения, М., 1061.

5. Бройль Л. Де. Революция в физике. М., 1963

6. Гейзенберг В. Физика и философия. Часть и целое. М. 1989.

8. Эйнштейн А., Инфельд Л. Эволюция физики. М., 1965.

Сэр ИСААК НЬЮТОН (4 января 1643 г. - 31 марта 1727 г.) - выдающийся английский учёный, заложивший основы современного естествознания, создатель классической физики, член Лондонского королевского общества и его президент (с 1703). Родился в Вулсторпе. Окончил Кембриджский университет в 1665г. В марте-июне 1666 года Ньютон посетил Кембридж. Однако летом новая волна чумы вынудила его вновь уехать домой. Наконец, в начале 1667 года эпидемия утихла, и в апреле Ньютон возвратился в Кембридж. 1 октября он был избран членом Тринити-колледжа, а в 1668 году стал магистром. Ему выделили просторную отдельную комнату для жилья, назначили оклад (2 фунта в год) и передали группу студентов, с которыми он несколько часов в неделю добросовестно занимался стандартными учебными предметами. Впрочем, ни тогда, ни позже Ньютон не прославился как преподаватель, его лекции посещались плохо. 1

Упрочив своё положение, Ньютон совершил путешествие в Лондон, где незадолго до того, в 1660 году, было создано Лондонское королевское общество - авторитетная организация видных научных деятелей, одна из первых Академий наук. Печатным органом Королевского общества был журнал «Философские труды» (англ. Philosophical Transactions).

В 1669 году в Европе стали появляться математические работы, использующие разложения в бесконечные ряды. Хотя по глубине эти открытия не шли ни в какое сравнение с ньютоновскими, Барроу настоял на том, чтобы его ученик зафиксировал свой приоритет в этом вопросе. 2 ______________________________

1. https://ru.wikipedia.org/

2.Акройд П. «Исаак Ньютон. Биография». - М.: КоЛибри, Азбука-Аттикус, 2011 г.

Ньютон написал краткий, но достаточно полный конспект этой части своих открытий, который назвал «Анализ с помощью уравнений с бесконечным числом членов». Барроу переслал этот трактат в Лондон. Ньютон просил Барроу не раскрывать имя автора работы (но тот всё же проговорился). «Анализ» распространился среди специалистов и получил некоторую известность в Англии и за её пределами.

В этом же году Барроу принял приглашение короля стать придворным капелланом и оставил преподавание. 29 октября 1669 года 26-летний Ньютон был избран его преемником, профессором математики и оптики Тринити-колледжа, с высоким окладом 100 фунтов в год. Барроу оставил Ньютону обширную алхимическую лабораторию; в этот период Ньютон всерьёз увлёкся алхимией, провёл массу химических опытов Ньютон сформулировал основные законы классической механики, открыл закон всемирного тяготения, дисперсию света, развил корпускулярную теорию света, разработал дифференциальное и интегральное исчисление. Обобщив результаты исследований своих предшественников в области механики и свои собственные, Ньютон создал огромный труд "Математические начала натуральной философии" ("Начала"), изданный в 1687г. "Начала" содержали основные понятия классической механики, в частности понятия: масса, количество движения, сила, ускорение, центростремительная сила и три закона движения. В этой же работе дан его закон всемирного тяготения, исходя из которого, Ньютон объяснил движение небесных тел и создал теорию тяготения. 1 Открытие этого закона окончательно утвердило победу учения Коперника. Он показал, что из закона всемирного тяготения вытекают три закона Кеплера; объяснил особенности движения Луны, явление процессии; развил теорию фигуры Земли, отметив, что она должна быть сжата у полюсов, _____________________________

1. Акройд П. «Исаак Ньютон. Биография». - М.: КоЛибри, Азбука-Аттикус, 2011 г.

теорию приливов и отливов; рассмотрел проблему создания искусственного спутника Земли и т.д. Ньютон разработал закон сопротивления и основной закон внутреннего трения в жидкостях и газах, дал формулу для скорости распространения волн.

Материал из Википедии - свободной энциклопедии

Класси́ческая меха́ника - видмеханики(разделафизики, изучающего законы изменения положений тел в пространстве со временем и причины, это вызывающие), основанный назаконах Ньютонаипринципе относительности Галилея. Поэтому её часто называют «Ньютоновской механикой ».

Классическая механика подразделяется на:

статику(которая рассматривает равновесие тел)

кинематику(которая изучает геометрическое свойство движения без рассмотрения его причин)

динамику(которая рассматривает движение тел).

Классическая механика даёт очень точные результаты, если её применение ограничено телами, скоростикоторых много меньшескорости света, а размеры значительно превышают размерыатомовимолекул. Обобщением классической механики на тела, двигающиеся с произвольной скоростью, являетсярелятивистская механика, а на тела, размеры которых сравнимы с атомными -квантовая механика.Квантовая теория полярассматривает квантовые релятивистские эффекты.

Тем не менее, классическая механика сохраняет своё значение, поскольку:

она намного проще в понимании и использовании, чем остальные теории

в обширном диапазоне она достаточно хорошо описывает реальность.

Классическую механику можно использовать для описания движения таких объектов, как волчок и бейсбольный мяч, многих астрономических объектов (таких, как планетыигалактики), и иногда даже многих микроскопических объектов, таких какмолекулы.

Классическая механика является самосогласованной теорией, то есть в её рамках не существует утверждений, противоречащих друг другу. Однако, её объединение с другими классическими теориями, например классической электродинамикойитермодинамикойприводит к появлению неразрешимых противоречий. В частности, классическая электродинамика предсказывает, чтоскорость светапостоянна для всех наблюдателей, что несовместимо с классической механикой. В началеXX векаэто привело к необходимости созданияспециальной теории относительности. При рассмотрении совместно с термодинамикой, классическая механика приводит кпарадоксу Гиббса, в котором невозможно точно определить величинуэнтропии, и культрафиолетовой катастрофе, в которойабсолютно чёрное телодолжно излучать бесконечное количество энергии. Попытки разрешить эти проблемы привели к возникновению и развитию квантовой механики.

10 билет МЕХАНИЧЕСКАЯ КАРТИНА МИРА.ТЕРМОДИНАМИКА

Термодина́мика (греч.θέρμη- «тепло»,δύναμις- «сила») - разделфизики, изучающий соотношения и превращениятеплотыи других формэнергии. В отдельные дисциплины выделилисьхимическая термодинамика, изучающаяфизико-химическиепревращения, связанные с выделением или поглощением тепла, а такжетеплотехника.

В термодинамике имеют дело не с отдельными молекулами, а с макроскопическими телами, состоящими из огромного числа частиц. Эти тела называются термодинамическими системами. В термодинамике тепловые явления описываются макроскопическими величинами - давление, температура, объём, …, которые не применимы к отдельным молекулам и атомам.

В теоретической физикенаряду с феноменологической термодинамикой, изучающейфеноменологиютепловых процессов, выделяют термодинамику статистическую, которая была создана для механического обоснования термодинамики и была одним из первых разделовстатистической физики.

Термодинамика может быть применена в широком круге вопросов в области науки и техники, таких, как двигатели, фазовые переходы,химические реакции, явления переноса, и дажечёрные дыры. Термодинамика имеет важное значение для других областей физики и химии, химической технологии, аэрокосмической техники,машиностроения,клеточной биологии,биомедицинской инженерии,материаловедения, и полезно в таких других областях, какэкономика [

11 билет ЭЛЕКТРОДИНАМИКА

Электродина́мика - разделфизики, изучающийэлектромагнитное полев наиболее общем случае (то есть, рассматриваются переменные поля, зависящие от времени) и его взаимодействие с телами, имеющимиэлектрический заряд(электромагнитное взаимодействие). Предмет электродинамики включает связь электрических и магнитных явлений,электромагнитное излучение(в разных условиях, как свободное, так и в разнообразных случаях взаимодействии с веществом),электрический ток(вообще говоря, переменный) и его взаимодействие с электромагнитным полем (электрический ток может быть рассмотрен при этом как совокупность движущихся заряженных частиц). Любое электрическое и магнитное взаимодействие между заряженными телами рассматривается в современной физике как осуществляющееся через посредство электромагнитного поля, и, следовательно, также является предметом электродинамики.

Чаще всего под термином электродинамика по умолчанию понимаетсяклассическая электродинамика, описывающая только непрерывные свойстваэлектромагнитного поляпосредством системыуравнений Максвелла; для обозначения современнойквантовой теорииэлектромагнитного поля и его взаимодействия с заряженными частицами обычно используется устойчивый терминквантовая электродинамика .

12 билет ПОНЯТИЕ СИММЕТРИИ В ЕСТЕСТВОЗНАНИИ

Теоре́ма Эмми Нётер утверждает, что каждой непрерывнойсимметриифизической системы соответствует некоторыйзакон сохранения. Так,закон сохранения энергиисоответствует однородностивремени,закон сохранения импульса- однородностипространства,закон сохранения момента импульса-изотропиипространства,закон сохранения электрического заряда-калибровочной симметриии т. д.

Теорема обычно формулируется для систем, обладающих функционаломдействия, и выражает собойинвариантностьлагранжианапо отношению к некоторойнепрерывной группепреобразований.

Теорема установлена в работах учёных гёттингенскойшколыД. Гильберта,Ф. КлейнаиЭ. Нётер. В наиболее распространенной формулировке была доказана Эмми Нётер в1918 году.

Типы симметрий, встречающиеся в математике и в естественных науках:

двусторонняя симметрия- симметричность относительнозеркального отражения. (Билатеральная симметрия)

симметрия n-го порядка- симметричность относительноповоротовна угол 360°/n вокруг какой-либо оси. Описывается группой Z n .

аксиальная симметрия(радиальная симметрия,лучевая симметрия) - симметричность относительноповоротовна произвольный угол вокруг какой-либо оси. Описывается группойSO(2).

сферическая симметрия- симметричность относительновращенийв трёхмерном пространстве на произвольные углы. Описывается группой SO(3). Локальная сферическая симметрия пространства или среды называется такжеизотропией.

вращательная симметрия- обобщение предыдущих двух симметрий.

трансляционная симметрия- симметричность относительносдвигов пространствав каком-либо направлении на некоторое расстояние.

лоренц-инвариантность- симметричность относительно произвольных вращений впространстве-времениМинковского.

калибровочная инвариантность- независимость вида уравнений калибровочных теорий вквантовой теории поля(в частности,теорий Янга - Миллса) при калибровочных преобразованиях.

суперсимметрия- симметрия теории относительно заменыбозоновнафермионы.

высшая симметрия- симметрия в групповом анализе.

кайносимметрия- явлениеэлектронной конфигурации(термин введёнС. А. Щукаревым, открывшим его), которым обусловленавторичная периодичность(открытаЕ. В. Бироном).

13 билет СТО

Специальная теория относительности (СТО ; такжечастная теория относительности ) - теория, описывающая движение, законымеханикии пространственно-временные отношения при произвольныхскоростяхдвижения, меньших скорости света в вакууме, в том числе близких кскорости света. В рамках специальной теории относительностиклассическая механикаНьютонаявляется приближением низких скоростей. Обобщение СТО для гравитационных полей называетсяобщей теорией относительности.

Описываемые специальной теорией относительности отклонения в протекании физических процессов от предсказаний классической механики называют релятивистскими эффектами , а скорости, при которых такие эффекты становятся существенными, -релятивистскими скоростями .

14 билет ОТО

О́бщая тео́рия относи́тельности (ОТО ;нем.allgemeine Relativitätstheorie ) -геометрическаятеориятяготения, развивающаяспециальную теорию относительности(СТО), опубликованнаяАльбертом Эйнштейномв1915-1916 годах. В рамках общей теории относительности, как и в другихметрических теориях, постулируется, что гравитационные эффекты обусловлены несиловым взаимодействиемтел иполей, находящихся впространстве-времени, а деформацией самого́ пространства-времени, которая связана, в частности, с присутствием массы-энергии. Общая теория относительности отличается от других метрическихтеорий тяготенияиспользованиемуравнений Эйнштейнадля связикривизныпространства-времени с присутствующей в нёмматерией.

ОТО в настоящее время - самая успешнаятеория гравитации, хорошо подтверждённая наблюдениями. Первый успех общей теории относительности состоял в объяснении аномальнойпрецессииперигелияМеркурия. Затем, в1919 году,Артур Эддингтонсообщил о наблюдении отклонения света вблизиСолнцав момент полногозатмения, что качественно и количественно подтвердило предсказания общей теории относительности . С тех пор многие другиенаблюдения и экспериментыподтвердили значительное количествопредсказаний теории, включаягравитационное замедление времени,гравитационное красное смещение,задержку сигнала в гравитационном полеи, пока лишь косвенно,гравитационное излучение . Кроме того, многочисленные наблюдения интерпретируются как подтверждения одного из самых таинственных и экзотических предсказаний общей теории относительности - существованиячёрных дыр .

Несмотря на ошеломляющий успех общей теории относительности, в научном сообществе существует дискомфорт, связанный, во-первых, с тем, что её не удаётся переформулировать как классический предел квантовой теории, а во-вторых, с тем, что сама теория указывает границы своей применимости, так как предсказывает появление неустранимых физических расходимостей при рассмотрении чёрных дыр и вообщесингулярностейпространства-времени. Для решения этих проблем был предложен рядальтернативных теорий, некоторые из которых также являютсяквантовыми. Современные экспериментальные данные, однако, указывают, что любого типа отклонения от ОТО должны быть очень малыми, если они вообще существуют.

15 билет РАСШИРЕНИЕ ВСЕЛЕННОЙ.ЗАКОН ХАББЛА

Расширение Вселенной - явление, состоящее в почтиоднородномиизотропномрасширении космического пространства в масштабах всейВселенной. Экспериментально расширение Вселенной наблюдается в виде выполнениязакона Хаббла. Началом расширения Вселенной наука считает так называемыйБольшой взрыв. Теоретически явление было предсказано и обоснованоА. Фридманомна раннем этапе разработкиобщей теорией относительностииз общефилософскихсоображений об однородности иизотропности Вселенной.

Зако́н Ха́ббла (закон всеобщего разбегания галактик) -эмпирический закон, связывающийкрасное смещениегалактики расстояние до нихлинейным образом :

где z -красное смещениегалактики,D - расстояние до неё,H 0 - коэффициент пропорциональности, называемыйпостоянной Хаббла. При малом значенииz выполняется приближённое равенствоcz=V r , гдеV r - скорость галактики вдоль луча зрения наблюдателя,c -скорость света. В этом случае закон принимает классический вид:

Этот возраст является характерным временем расширения Вселеннойна данный момент и с точностью до множителя 2 соответствует возрасту Вселенной, рассчитываемому постандартной космологической модели Фридмана.

16 билет МОДЕЛЬ ФРИДМАНА.СИНГУЛЯРНОСТЬ

Вселе́нная Фри́дмана (метрика Фридмана - Леметра - Робертсона - Уокера ) - одна из космологических моделей, удовлетворяющих полевым уравнениямобщей теории относительности, первая из нестационарных моделей Вселенной. ПолученаАлександром Фридманомв1922. Модель Фридмана описывает однородную изотропнуюнестационарную Вселенную с веществом, обладающую положительной, нулевой или отрицательной постоянной кривизной. Эта работа учёного стала основным теоретическим развитием ОТО после работ Эйнштейна 1915-1917 гг.

гравитационная сингулярность - областьпространства-времени, через которую нельзя продолжитьгеодезическую линию. Часто в нейкривизнапространственно-временного континуума обращается вбесконечность, либометрикаобладает иными патологическими свойствами, не допускающими физической интерпретации (например,космологическая сингулярность - состояние Вселенной в начальный моментБольшого взрыва, характеризующееся бесконечной плотностью и температурой вещества);

17 билет ТЕОРИЯ БОЛЬШОГО ВЗРЫВА.РЕЛИКТОВОЕ ИЗЛУЧЕНИЕ

Рели́ктовое излуче́ние (иликосмическое микроволновое фоновое излучение отангл.cosmic microwave background radiation ) - космическоеэлектромагнитное излучениес высокой степеньюизотропностии соспектром, характерным дляабсолютно чёрного теластемпературой2,725К.

Существование реликтового излучения было предсказано теоретически в рамках теории Большого взрыва. Хотя в настоящее время многие аспекты первоначальной теории Большого взрыва пересмотрены, основы, позволившие предсказатьтемпературуреликтового излучения, остались неизменны. Считается, что реликтовое излучение сохранилось с начальных этапов существованияВселеннойи равномерно её заполняет. Экспериментально его существование было подтверждено в1965 году. Наряду скосмологическим красным смещением, реликтовое излучение рассматривается как одно из главных подтверждений теории Большого взрыва

Большо́й взрыв (англ.Big Bang ) -космологическая модель, описывающая раннее развитие Вселенной , а именно - началорасширения Вселенной, перед которымВселеннаянаходилась всингулярном состоянии.

Обычно сейчас автоматически сочетают теорию Большого взрыва и модель горячей Вселенной, но эти концепции независимы и исторически существовало также представление охолодной начальной Вселеннойвблизи Большого взрыва. Именно сочетание теории Большого взрыва с теорией горячей Вселенной, подкрепляемое существованиемреликтового излучения, и рассматривается далее.

18 билет КОСМИЧЕСКИЙ ВАКУУМ

Ва́куум (отлат.vacuum - пустота) - пространство, свободное от вещества. В технике и прикладной физике под вакуумом понимают среду, содержащуюгазпридавленияхзначительно нижеатмосферного. Вакуум характеризуется соотношением междудлиной свободного пробегамолекул газаλи характерным размером средыd . Подd может приниматься расстояние между стенкамивакуумной камеры, диаметр вакуумного трубопровода и т. д. В зависимости от величины соотношенияλ/d различают низкий (), средний () и высокий () вакуум.

Следует различать понятия физического вакуума итехнического вакуума .

19 билет КВАНТОВАЯ МЕХАНИКА

Ква́нтовая меха́ника - разделтеоретической физики, описывающий физические явления, в которыхдействиесравнимо по величине спостоянной Планка. Предсказания квантовой механики могут существенно отличаться от предсказанийклассической механики. Поскольку постоянная Планка является чрезвычайно малой величиной по сравнению с действием повседневных объектов, квантовые эффекты в основном проявляются только в микроскопических масштабах. Если физическое действие системы намного больше постоянной Планка, квантовая механика органически переходит в классическую механику. В свою очередь, квантовая механика является нерелятивистским приближением (то есть приближением малых энергий по сравнению сэнергией покоямассивных частиц системы)квантовой теории поля.

Классическая механика, хорошо описывающая системы макроскопических масштабов, не способна описать явления на уровне атомов, молекул, электроновифотонов. Квантовая механика адекватно описывает основные свойства и поведение атомов, ионов, молекул,конденсированных сред, и других систем с электронно-ядерным строением. Квантовая механика также способна описывать поведение электронов, фотонов, а также другихэлементарных частиц, однако более точное релятивистски инвариантное описание превращений элементарных частиц строится в рамках квантовой теории поля. Эксперименты подтверждают результаты, полученные с помощью квантовой механики.

Основными понятиями квантовой кинематики являются понятия наблюдаемойисостояния.

Основные уравнения квантовой динамики - уравнение Шрёдингера,уравнение фон Неймана,уравнение Линдблада,уравнение Гейзенбергаиуравнение Паули.

Уравнения квантовой механики тесно связаны со многими разделами математики, среди которых: теория операторов,теория вероятностей,функциональный анализ,операторные алгебры,теория групп.

Абсолютно чёрное тело - физическая идеализация, применяемая втермодинамике, тело, поглощающее всё падающее на негоэлектромагнитное излучениево всех диапазонах и ничего не отражающее. Несмотря на название, абсолютно чёрное тело само может испускать электромагнитное излучение любой частоты и визуально иметьцвет.Спектр излученияабсолютно чёрного тела определяется только еготемпературой.

Важность абсолютно чёрного тела в вопросе о спектре теплового излучения любых (серых и цветных) тел вообще, кроме того, что оно представляет собой наиболее простой нетривиальный случай, состоит ещё и в том, что вопрос о спектре равновесного теплового излучения тел любого цвета и коэффициента отражения сводится методами классической термодинамики к вопросу об излучении абсолютно чёрного (и исторически это было уже сделано к концу XIX века, когда проблема излучения абсолютно чёрного тела вышла на первый план).

Наиболее чёрные реальные вещества, например, сажа, поглощают до 99 % падающего излучения (то есть имеютальбедо, равное 0,01) в видимом диапазоне длин волн, однако инфракрасное излучение поглощается ими значительно хуже. Среди телСолнечной системысвойствами абсолютно чёрного тела в наибольшей степени обладаетСолнце.

Термин был введён Густавом Кирхгофомв1862 году.

20 билет ПРИНЦИПЫ КВАНТОВОЙ МЕХАНИКИ

Все задачи современной физики можно разделить на две группы: задачи физики классической и задачи физики квантовой, Изучая свойства обычных макроскопических тел, почти не приходится встречаться с квантовыми задачами, потому что квантовые свойства становятся ощутимыми лишь в микромире. Поэтому физика XIX в., исследовавшая лишь макроскопические тела, совершенно не знала квантовых процессов. Это и есть физика классическая. Для классической физики характерно, что она не учитывает атомистическое строение вещества. Ныне же развитие экспериментальной техники столь широко раздвинуло границы нашего знакомства с природой, что мы теперь знаем, и притом весьма детально, строгние отдельных атомов и молекул. Современная физика изучает атомное строение вещества и, потому принципы старой классической физики XIX в. должны были измениться в соответствии с новыми фактами, причем измениться коренным образом. Это изменение принципов и есть переход к физике квантовой

21 билет КОРПУСКУЛЯРНО-ВОЛНОВОЙ ДУАЛИЗМ

Корпускуля́рно-волново́й дуали́зм -принцип, согласно которому любой объект может проявлять какволновые, так икорпускулярныесвойства. Был введён при разработкеквантовой механикидля интерпретации явлений, наблюдаемых в микромире, с точки зрения классических концепций. Дальнейшим развитием принципа корпускулярно-волнового дуализма стала концепцияквантованных полейвквантовой теории поля.

Как классический пример, светможно трактовать как поток корпускул (фотонов), которые во многих физических эффектах проявляют свойстваэлектромагнитных волн. Свет демонстрирует свойства волны в явленияхдифракциииинтерференциипри масштабах, сравнимых с длиной световой волны. Например, дажеодиночные фотоны, проходящие черездвойную щель, создают на экране интерференционную картину, определяемуюуравнениями Максвелла .

Тем не менее, эксперимент показывает, что фотон не есть короткий импульс электромагнитного излучения, например, он не может быть разделён на несколько пучков оптическими делителями лучей, что наглядно показал эксперимент, проведённый французскими физиками Гранжье, Роже и Аспэ в 1986 году . Корпускулярные свойства света проявляются прифотоэффектеи вэффекте Комптона. Фотон ведет себя и как частица, которая излучается или поглощается целиком объектами, размеры которых много меньше его длины волны (например,атомными ядрами), или вообще могут считаться точечными (например,электрон).

В настоящий момент концепция корпускулярно-волнового дуализма представляет лишь исторический интерес, так как служила только интерпретацией, способом описать поведение квантовых объектов, подбирая ему аналогии из классической физики. На деле квантовые объекты не являются ни классическими волнами, ни классическими частицами, приобретая свойства первых или вторых лишь в некотором приближении. Методологически более корректной является формулировка квантовой теории через интегралы по траекториям(пропагаторная), свободная от использования классических понятий.

22 билет ПОНЯТИЕ О СТРОЕНИЕ АТОМА.МОДЕЛИ АТОМА

Модель атома Томсона (модель «Пудинг с изюмом»,англ.Plum pudding model ).Дж. Дж. Томсонпредложил рассматривать атом как некоторое положительно заряженное тело с заключёнными внутри негоэлектронами. Была окончательно опровергнутаРезерфордомпосле проведённого им знаменитого опыта по рассеиваниюальфа-частиц.

Ранняя планетарная модель атома Нагаоки . В 1904 году японский физикХантаро Нагаокапредложил модель атома, построенную по аналогии с планетойСатурн. В этой модели вокруг маленького положительного ядра по орбитам вращались электроны, объединённые в кольца. Модель оказалась ошибочной.

Планетарная модель атома Бора-Резерфорда . В 1911 году Эрнест Резерфорд, проделав ряд экспериментов, пришёл к выводу, что атом представляет собой подобиепланетной системы, в которой электроны движутся по орбитам вокруг расположенного в центре атома тяжёлого положительно заряженного ядра («модель атома Резерфорда»). Однако такое описание атома вошло в противоречие склассической электродинамикой. Дело в том, что, согласно классической электродинамике, электрон при движении сцентростремительным ускорениемдолжен излучатьэлектромагнитные волны, а, следовательно, терятьэнергию. Расчёты показывали, что время, за которое электрон в таком атоме упадёт на ядро, совершенно ничтожно. Для объяснения стабильности атомовНильсу Борупришлось ввестипостулаты, которые сводились к тому, что электрон в атоме, находясь в некоторых специальных энергетических состояниях, не излучает энергию («модель атома Бора-Резерфорда»). Постулаты Бора показали, что для описания атома классическая механика неприменима. Дальнейшее изучение излучения атома привело к созданиюквантовой механики, которая позволила объяснить подавляющее большинство наблюдаемых фактов.

А́том (отдр.-греч.ἄτομος- неделимый) - наименьшая химически неделимая частьхимического элемента, являющаяся носителем его свойств . Атом состоит изатомного ядраиэлектронов. Ядро атома состоит из положительнозаряженныхпротонови незаряженныхнейтронов. Если число протонов в ядре совпадает с числом электронов, то атом в целом оказывается электрически нейтральным. В противном случае он обладает некоторым положительным или отрицательным зарядом и называетсяионом. Атомы классифицируются по количеству протонов и нейтронов в ядре: количество протонов определяет принадлежность атома некоторому химическому элементу, а число нейтронов -изотопуэтого элемента.

Атомы различного вида в разных количествах, связанные межатомными связями, образуютмолекулы.

23 билет ФУНДАМЕНТАЛЬНЫЕ ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ

Фундамента́льные взаимоде́йствия - качественно различающиеся типы взаимодействияэлементарных частици составленных из них тел.

На сегодня достоверно известно существование четырех фундаментальных взаимодействий:

гравитационного

электромагнитного

сильного

слабого

При этом электромагнитное и слабое взаимодействия являются проявлениями единого электрослабого взаимодействия .

Ведутся поиски других типов фундаментальных взаимодействий, как в явлениях микромира, так и в космических масштабах, однако пока какого-либо другого типа фундаментального взаимодействия не обнаружено.

В физике механическая энергия делится на два вида - потенциальнуюикинетическую энергию. Причиной изменения движения тел (изменения кинетической энергии) является сила (потенциальная энергия) (см.второй закон Ньютона).Исследуя окружающий нас мир, мы можем заметить множество самых разнообразных сил:сила тяжести,сила натяжения нити,сила сжатия пружины,сила столкновения тел,сила трения,сила сопротивления воздуха,сила взрываи т. д. Однако когда была выясненаатомарнаяструктура вещества, стало понятно, что все разнообразие этих сил есть результат взаимодействия атомов друг с другом. Поскольку основной видмежатомного взаимодействия-электромагнитное, то, как оказалось, большинство этих сил - лишь различные проявленияэлектромагнитного взаимодействия. Одно из исключений составляет, например, сила тяжести, причиной которой являетсягравитационное взаимодействиемежду телами, обладающимимассой.

24 билет ЭЛЕМЕНТАРНЫЕ ЧАСТИЦЫ И ИХ СВОЙСТВА

Элемента́рная части́ца - собирательный термин, относящийся к микрообъектам в субъядерном масштабе, которые невозможно расщепить на составные части.

Следует иметь в виду, что некоторые элементарные частицы (электрон,фотон,кваркии т. д.) на данный момент считаются бесструктурными и рассматриваются как первичныефундаментальные частицы . Другие элементарные частицы (так называемыесоставные частицы -протон,нейтрони т. д.) имеют сложную внутреннюю структуру, но, тем не менее, по современным представлениям, разделить их на части невозможно (см.Конфайнмент).

Строение и поведение элементарных частиц изучается физикой элементарных частиц.

Основная статья: Кварки

Кварки и антикварки никогда не были обнаружены в свободном состоянии - это объясняется явлением конфайнмента. На основании симметрии между лептонами и кварками, проявляемой вэлектромагнитном взаимодействии, выдвигаются гипотезы о том, что эти частицы состоят из более фундаментальных частиц −преонов.

25 билет ПОНЯТИЕ БИФУРКАЦИИ.ТОЧКА БИФУРКАЦИИ

Бифуркация - это приобретение нового качества в движениях динамической системыпри малом изменении её параметров.

Центральным понятием теории бифуркации является понятие (не)грубой системы (см. ниже). Берётся какая-либо динамическая система и рассматривается такое (много)параметрическое семейство динамических систем, что исходная система получается в качестве частного случая - при каком-либо одном значении параметра (параметров). Если при значении параметров, достаточно близких к данному, сохраняется качественная картина разбиения фазового пространства на траектории, то такая система называется грубой . В противном случае, если такой окрестности не существует, то система называетсянегрубой .

Таким образом в пространстве параметров возникают области грубых систем, которые разделяются поверхностями, состоящими из негрубых систем. Теория бифуркаций изучает зависимость качественной картины при непрерывном изменении параметра вдоль некоторой кривой. Схема, по которой происходит изменение качественной картины называется бифуркационной диаграммой .

Основные методы теории бифуркаций - это методы теории возмущений. В частности, применяется метод малого параметра (Понтрягина).

Точка бифуркации - смена установившегося режима работы системы. Термин изнеравновесной термодинамикиисинергетики.

Точка бифуркации - критическое состояние системы, при котором система становится неустойчивой относительнофлуктуацийи возникает неопределенность: станет ли состояние системы хаотическим или она перейдет на новый, более дифференцированный и высокий уровень упорядоченности. Термин изтеории самоорганизации.

26 билет СИНЕРГЕТИКА – НАУКА ОБ ОТКРЫТЫХ САМООРГАНИЗУЮЩИХСЯ СИСТЕМАХ

Синерге́тика (отдр.-греч.συν-- приставка со значением совместности иἔργον- «деятельность») -междисциплинарноенаправление научных исследований, задачей которого является изучение природных явлений и процессов на основе принциповсамоорганизациисистем(состоящих изподсистем ). «…Наука, занимающаяся изучением процессов самоорганизации и возникновения, поддержания, устойчивости и распада структур самой различной природы…» .

Синергетика изначально заявлялась как междисциплинарный подход, так как принципы, управляющие процессами самоорганизации, представляются одними и теми же (безотносительно природы систем), и для их описания должен быть пригоден общий математический аппарат.

С мировоззренческой точки зрения синергетику иногда позиционируют как «глобальный эволюционизм» или «универсальную теорию эволюции», дающую единую основу для описания механизмов возникновения любых новаций подобно тому, как некогдакибернетикаопределялась, как «универсальная теория управления», одинаково пригодная для описания любых операций регулирования и оптимизации: в природе, в технике, в обществе и т. п. и т. д. Однако время показало, что всеобщий кибернетический подход оправдал далеко не все возлагавшиеся на него надежды. Аналогично - и расширительное толкование применимости методов синергетики также подвергается критике .

Основное понятие синергетики - определение структурыкаксостояния , возникающего в результате многовариантного и неоднозначного поведения таких многоэлементных структур или многофакторных сред, которые не деградируют к стандартному для замкнутых систем усреднению термодинамического типа, а развиваются вследствие открытости, притока энергии извне, нелинейности внутренних процессов, появления особыхрежимов с обострениеми наличия более одного устойчивого состояния. В обозначенных системах неприменимы нивторое начало термодинамики, нитеорема Пригожинао минимуме скорости производстваэнтропии, что может привести к образованию новых структур и систем, в том числе и более сложных, чем исходные.

Этот феноментрактуется синергетикой как всеобщий механизм повсеместно наблюдаемого в природе направленияэволюции: от элементарного и примитивного - к сложносоставному и более совершенному.

В отдельных случаях образование новых структур имеет регулярный, волновой характер и тогда они называются автоволновыми процессами (по аналогии с автоколебаниями).

27 билет ПОНЯТИЕ ЖИЗНЬ.ПРОБЛЕМА ПРОИСХОЖДЕНИЯ ЖИЗНИ

Жизнь - активная форма существованиясубстанции, в некотором смысле высшая по сравнению с её физической и химической формами существования ; совокупность физических и химических процессов, протекающих вклетке, позволяющих осуществлятьобмен веществиеё деление. Основной атрибут живой материи -генетическая информация, используемая длярепликации. Более или менее точно определить понятие «жизнь» можно только перечислением качеств, отличающих её от нежизни. Вне клетки жизнь не существует,вирусыпроявляют свойства живой материи только после переноса генетического материала в клетку [ источник не указан 268 дней ] . Приспосабливаясь к окружающей среде, живая клетка формирует всё многообразие живых организмов.

Также под словом «жизнь» понимают период существования отдельно взятого организма от момента возникновениядо егосмерти(онтогенез) .

В 1860 годупроблемой происхождения жизни занялся французский химикЛуи Пастер. Своими опытами он доказал, чтобактериивездесущи, и что неживые материалы легко могут быть заражены живыми существами, если их не стерилизовать должным образом. Учёный кипятил в воде различные среды, в которых могли бы образоваться микроорганизмы. При дополнительном кипячении микроорганизмы и их споры погибали. Пастер присоединил к S-образной трубке запаянную колбу со свободным концом. Споры микроорганизмов оседали на изогнутой трубке и не могли проникнуть в питательную среду. Хорошо прокипячённая питательная среда оставалась стерильной, в ней не обнаруживалось зарождения жизни, несмотря на то, что доступ воздуха был обеспечен.

В результате ряда экспериментов Пастер доказал справедливость теории биогенеза и окончательно опроверг теорию спонтанного зарождения .

28 билет КОНЦЕПЦИЯ ПРОИСХОЖДЕНИЯ ЖИЗНИ ОПАРИНА