- •Оглавление
- •Естествознание в системе науки и культуры
- •Принципы, формы и методы научного познания
- •Общие принципы научного познания
- •Формы научного познания
- •Методы научного исследования
- •Особая роль математики в естествознании
- •Естествознание и научная картина мира
- •Понятие научной картины мира
- •Историческая смена физических картин мира
- •Панорама современного естествознания
- •Естествознание в аспекте научно-технической революции
- •Тенденции развития естествознания
- •Проблема классификации наук
- •История естествознания
- •Зарождение эмпирического научного знания
- •Античная наука
- •Александрийский период развития науки
- •Развитие науки арабских и среднеазиатских народов в средние века
- •Период схоластики
- •Научная революция XVI–XVII вв.
- •Революция в астрономии
- •Экспериментальный метод Галилея
- •Становление физики как самостоятельной науки
- •Революция в математике
- •Развитие научных методов в естествознании
- •Развитие естествознания в хviii в.
- •Физические концепции естествознания
- •Механистическая картина мира
- •Принцип относительности Галилея
- •Механика Ньютона
- •Характерные особенности механистической картины мира
- •Развитие концепций термодинамики и статистической физики
- •Вещественная и корпускулярная теории теплоты
- •Необратимость времени в термодинамике
- •Первое и второе начала термодинамики
- •Принцип возрастания энтропии, хаос и порядок
- •Статистический подход к описанию макросистем
- •Развитие концепций электромагнитного поля
- •"Экспериментальные исследования по электричеству" Фарадея
- •Теория электромагнетизма Максвелла
- •Корпускулярная и континуальная концепция описания природы
- •Развитие представлений о свете
- •Концепция дальнодействия и близкодействия
- •Развитие концепций пространства и времени в специальной теории относительности
- •Принцип относительности
- •Преобразование Лоренца
- •Релятивистская механика
- •Четырехмерное пространство-время в специальной теории относительности
- •Экспериментальное подтверждение специальной теории относительности
- •Общая теория относительности
- •Принцип эквивалентности
- •Экспериментальное подтверждение общей теории относительности
- •Философские выводы из теории относительности
- •Симметрия пространства и времени и законы сохранения
- •Мегамир в его многообразии и единстве
- •Галактики и структура Вселенной
- •Солнечная система
- •Концепция расширения Вселенной
- •Эволюция Вселенной
- •Концепция большого взрыва
- •Принципы организации микромира
- •Развитие концепции атомизма
- •Теория атома Бора – мост от классики к современности
- •Корпускулярно-волновые свойства микрочастиц
- •Принцип неопределенности
- •Принцип дополнительности
- •Описание микрообъектов в квантовой механике
- •Принцип суперпозиции
- •Принцип тождественности
- •Принципы причинности и соответствия в квантовой механике
- •Фундаментальные взаимодействия в природе
- •Гравитационное взаимодействие
- •Электромагнитное взаимодействие
- •Сильное взаимодействие
- •Слабое взаимодействие
- •Элементарные частицы
- •Характеристики элементарных частиц
- •Классификация элементарных частиц
- •Структурные уровни организации материи
- •Развитие химических концепций
- •Учение о составе вещества
- •Первые представления о химическом элементе
- •Закон постоянства состава
- •Закон простых кратных отношений
- •Гипотеза Авогадро
- •Атомно-молекулярное учение
- •Закон сохранения массы и энергии
- •Периодический закон Менделеева
- •Электронное строение атома
- •Структура химических систем
- •Теория химического строения Бутлерова
- •Химическая связь
- •Физико-химические закономерности протекания химических процессов
- •Энергетика химических процессов
- •Химическая кинетика
- •Понятие о катализе и катализаторах
- •Реакционная способность веществ
- •Обратимые реакции и состояние химического равновесия
- •Развитие химии экстремальных состояний
- •Особенности биологического уровня организации материи
- •Свойства живых систем
- •Уровни организации живой природы
- •Молекулярный уровень
- •Клеточный уровень
- •Органно-тканевый уровень
- •Организменный уровень
- •Популяционно-видовой уровень
- •Биогеоценотический и биосферный уровни
- •Клетка – структурная и функциональная единица живых организмов
- •Клеточная теория
- •Химический состав клеток
- •Клеточные и неклеточные формы жизни
- •Систематика живой природы
- •Генетика
- •Законы Менделя
- •Хромосомная теория наследственности
- •Изменчивость
- •Генетика человека
- •Генная инженерия и биоэтика
- •Принципы эволюции живых систем
- •Общее понятие прогресса и его проявление в живой природе
- •Ламаркизм
- •Дарвинизм. Эволюция путем естественного отбора
- •Развитие дарвинизма. Основные факторы и движущие силы эволюции
- •Доказательства эволюции живой природы
- •Биохимическая эволюция
- •Основные подходы к проблеме происхождения жизни
- •Химическая эволюция
- •Коацерватная стадия в процессе возникновения жизни
- •Начальные этапы развития жизни на Земле
- •Происхождение и эволюция человека
- •Положение человека в системе животного мира
- •Отряд приматов
- •Происхождение человека
- •Этапы эволюции человека
- •Биосфера и человек
- •Концептуальные подходы к изучению биосферы
- •Многообразие живых организмов – основа организации и устойчивости биосферы
- •Биогеохимические циклы в биосфере
- •Эволюция биосферы
- •Ноосфера. Путь к единой культуре.
- •Охрана биосферы
- •Влияние космоса на земные процессы
- •Современная наука о человеке
- •Здоровье и работоспособность человека
- •Физиология человека
- •Мозг и сознание
- •Сознание – функция мозга
- •Смерть мозга и морально-этические и правовые проблемы
- •Структура субъективного мира человека
- •Эмоции, чувства и интеллект
- •Сознание и самосознание
- •Сознательное и бессознательное
- •Творчество
- •Системный подход в естествознании
- •Принципы эволюции систем
- •Самоорганизация в живой и неживой природе
- •Заключение
- •Литература
Преобразование Лоренца
Эйнштейн при работе над специальной теорией относительности не отказался от принципа относительности, а, напротив, придал ему более общий вид. При этом потребовалось коренным образом преобразовать понимание пространства и времени, одним словом, создать принципиально новую теорию изменения пространственно-временных отношений между объектами.
Рассмотрим, каким условиям должны удовлетворять преобразования пространственных координат и времени при переходе от одной системы отсчета к другой. Если принять предположение классической механики об абсолютном характере расстояний и времени, то уравнения преобразования, называемые преобразованием Галилея, будут иметь следующий вид:
x = x’ + vt’,
y = y’,
z = z’,
t = t’.
Однако признание принципа постоянства скорости света требовало замены преобразования Галилея другими формулами, не противоречащими этому принципу. Эйнштейн показал, что таким преобразованием, не противоречащим принципу постоянства скорости, является, так называемое преобразование Лоренца, названное по имени нидерландского физика Х. А. Лоренца (1853–1928).
В случае, когда одна система отсчета движется относительно другой равномерно и прямолинейно вдоль оси абсцисс х, формулы преобразования Лоренца, включающие преобразование времени имеют вид:
x = (x’+vt’)/(1-v2/c2)1/2 ,
y = y’ ,
z = z’ ,
t = (t’+vx’/c2)/(1-v2/c2)1/2 ,
где v – скорость движения системы координат (x’,y’,z’)относительно системы координат (x,y,z),c – скорость света.
Опираясь на преобразования Лоренца, легко проверить, что твердая линейка, движущаяся в направлении ее длины, будет короче покоящейся, и тем короче, чем быстрее она движется. В самом деле, используя первое уравнение преобразования Лоренца, получим, что длина движущейся линейки относительно неподвижной системы отсчета l=l0(1–v2/c2)1/2, гдеl0 – длина линейки в системе отсчета, связанной с линейкой.
Релятивистская механика
Специальная теория относительностивозникла изэлектродинамикии мало чем изменила ее содержание, но зато значительно упростила ее теоретическую конструкцию, т.е. вывод законов и, самое главное, уменьшила количество независимых гипотез, лежащих в ее основе.
С классической механикойдело обстоит несколько иначе. Для того, чтобы согласоваться с постулатами специальной теории относительности, классическая механика нуждается в некоторых изменениях. Эти изменения касаются в основном законов быстрых движений, т.е. движений, скорость которых сравнима со скоростью света. В обычных земных условиях мы встречаемся со скоростями, значительно меньшими скорости света, и поэтому поправки, которые требует вносить теория относительности, имеют крайне малую величину и ими во многих случаях практически можно пренебречь.
Новая механика, основанная на специальном принципе относительности Эйнштейна, который представляет собой объединение принципа относительности с утверждением о конечности максимальной скорости распространения взаимодействия, получила названиерелятивистской механики.
Основными выводами релятивистской механики являются утверждения о том, что масса тела m,его длинаlи длительность события tзависят от величины отношения скорости телаvк скорости светаcи определяются формулами:
m = m0 /(1 - v2/c2)1/2,
l = l0 (1 -v2/c2)1/2,
t =t0 /(1 - v2/c2)1/2,
где m0 , l0 , t0 – масса тела, его длина и длительность события в системе отсчета, связанной с телом.
Например, если два космических корабля находятся в состоянии относительного движения, то наблюдатель на каждом из кораблей будет видеть другой корабль сократившимся в направлении движения, а космонавтов – похудевшими и передвигающимися замедленно. Все явления с периодическими движениями будут казаться замедленными, - движение маятника, колебание атомов и т.д. При обычных скоростях эти изменения чрезвычайно малы: Земля, которая движется вокруг Солнца со скоростью 30 км/час, показалась бы наблюдателю, покоящемуся относительно Солнца, сократившейся всего лишь на несколько сантиметров. Когда относительные скорости очень велики, изменения становятся значительными.
В дополнение к изменениям длины и времени, релятивистская механика дает релятивистское изменение массы.
Масса тела, определяемая путем измерения силы, необходимой для сообщения телу данного ускорения, называется инертной массой. Для наблюдателя, находящегося в космическом корабле и покоящегося относительно какого-то предмета инертная масса этого предмета, остается одной и той же независимо от скорости корабляvи называется массой покоя. Инертная масса этого предмета для наблюдателя, находящегося на Земле, называется релятивистской массой и зависит от относительной скорости наблюдателя и объекта наблюдения. Когда скорость тела приближается к скорости света, масса его неограниченно растет и в пределе приближается к бесконечности. Поэтому согласно теории относительности движения со скоростью, превышающей скорость света, невозможны.
Из релятивистской механики можно вывести закон взаимосвязи массы и энергии, играющий фундаментальную роль в ядерной физике:
E = mc2,
где m –масса тела,E –его энергия.
Экспериментальная проверка основных выводов релятивистской механики используется для обоснования специальной теории относительности Эйнштейна, подтверждаемой ежедневно в лабораториях ученых – атомщиков, работающих с частицами, движущимися со скоростями, близкими к скорости света. Движения со скоростями, сравнимыми со скоростью света, впервые удалось наблюдать на примере электронов, а затем и других элементарных частиц. Тщательно поставленные эксперименты с такими частицами действительно подтвердили предсказания специальной теории относительности об увеличении их массы с возрастанием скорости.
При обычных скоростях v << c релятивистская механика переходит в классическую механику Ньютона. Достаточно, например, отметить, что даже при скорости движения спутника Земли, равной примерно8 км/с, поправка к массе составит около одной двухмиллиардной ее части. В 1928 г. Английский физик П. Дирак объединил специальную теорию относительности и квантовую механику (механику микрочастиц) врелятивистскую квантовую механику, описывающую движение микрочастиц при скоростях, близких к скорости света.