- •П. Н. Белкин, с. Ю. Шадрин
- •Введение
- •1. Наука в контексте культуры
- •1.1. Естественные и гуманитарные науки
- •1. Наука – это способ познания мира, отрасль культуры и определенная система организованности.
- •1.2. Научный метод
- •11. Эмпирический метод познания опирается на непосредственное исследование реальных, чувственно воспринимаемых объектов.
- •1.3. История естествознания
- •Картины мира
- •2. Физические концепции мира
- •2.1. Структурные уровни организации материи
- •2.2. Классическая физика
- •2.3. Пространство, время, теория относительности
- •Некоторые симметрии природы
- •2.4. Мегамир. Космология и космогония
- •Космическая шкала времени
- •2.5. Положения и принципы квантовой механики
- •Фундаментальные частицы
- •3. Порядок и беспорядок в природе
- •4. Концепции химии и геологии
- •4.1. Этапы развития химического знания. Основные понятия
- •Современный вариант длинной формы периодической системы химических элементов
- •4.2. Реакционная способность веществ
- •4.3 Строение и эволюция Земли
- •Геологическая история Земли
- •5. Биологический уровень организации материи
- •5.1. Иерархия структурных уровней живой материи
- •Оценки потерь биологического разнообразия за последние четыре века
- •5.2. Молекулярный уровень организации живого
- •Примеры кодирования аминокислот кодонами днк
- •Генетический код
- •5.3. Клеточная теория
- •Важнейшие химические элементы клетки
- •Важнейшие вещества в клетке
- •Сравнение клеток растений и животных
- •5.4. Генетика
- •Некоторые доминантные и рецессивные признаки человека
- •5.5. Теория эволюции органического мира
- •5.6. Происхождение и сущность жизни
- •6. Человек и природа
- •6.1. Экосистемы
- •6.2. Биосфера
- •6.3. Антропогенез
- •6.4. Физиология человека, здоровье, творчество, эмоции
- •6.5. Современные экологические проблемы
- •Литература
2.3. Пространство, время, теория относительности
1. Инвариантностью в широком смысле называется независимость от физических условий. Чаще всего это относится к неизменности какой-либо величины по отношению к некоторым преобразованиям.
2. Симметрией называется неизменность состояния системы (материальных объектов, уравнений, пространства и времени) относительно какого-то преобразования (табл. 2.1).
3. Теорема Нётер: каждой симметрии соответствует закон сохранения и конкретная структура сохраняющейся величины.
4. Однородностью называется одинаковость свойств в разных точках среды при прочих равных условиях.
5. Изотропность (изотропия) – независимость свойств среды от направления при прочих равных условиях. Анизотропия означает наличие зависимости свойств от направления.
6. К симметриям относятся непрерывные преобразования пространства и времени:
– перенос системы (сдвиг) как целого в пространстве. Если это преобразование при прочих равных условиях не приводит к каким-либо изменениям, то оно означает однородность – эквивалентность всех точек пространства (отсутствие избранных точек). Свойство однородности связано не только со сдвиговой симметрией, но и с законом сохранения импульса (теорема Нётер);
– поворот системы как целого в пространстве. Отсутствие изменений в результате этого поворота при прочих равных условиях означает изотропность пространства (отсутствие избранных направлений). Свойство изотропности связано с законом сохранения момента импульса (теорема Нётер);
– изменение начала отсчёта времени (сдвиг во времени). Отсутствие изменений при прочих равных условиях означает однородность времени, что связано согласно теореме Нётер с законом сохранения энергии;
– переход к новой системе отсчёта, движущейся относительно первой с постоянной скоростью. Наличие симметрии, т. е. отсутствие изменений, означает эквивалентность всех инерциальных систем отсчёта.
7. Условию инвариантности относительно определенных групп преобразований удовлетворяют не только геометрические симметрии, но и симметрии более абстрактные. Так, инвариантность законов механики относительно преобразований Галилея представляет собой пример, так называемой, динамической симметрии. В общем, динамические симметрии связаны с переходами систем из состояния с одной энергией в состояние с другой энергией.
8. При движении электрических зарядов энергия, затрачиваемая на перемещение выделенного заряда, зависит только от разности потенциалов между начальной и конечной точками перемещения. Результат будет тот же, если в системе изменить уровень отсчета нулевого потенциала. Аналогичная ситуация имеет место при перемещении тела в поле тяжести на различные высоты. Здесь затрачиваемая работа не зависит от уровня начального отсчета, а определяется лишь разностью высот. Такого рода симметрии, связанные с изменением масштаба отсчета высоты, напряжения и т. п., называются калибровочными. Калибровочные симметрии связаны со свойствами частиц, а не со свойствами пространства и времени. Эти симметрии относятся к взаимосвязи между некоторыми физическими величинами и источниками физических полей.
Калибровочные симметрии играют основополагающую роль в разработке физической картины мира, устанавливая, в частности, критерии существования различных видов фундаментальных взаимодействий, а также условия их слияния в единое взаимодействие, так называемую, суперсилу.
9. Дискретные преобразования пространства-времени показывают симметрию законов природы относительно одновременного преобразования пространственной инверсии (P), обращения времени (T) и зарядового сопряжения (C), т. е. замены частиц на соответствующие им античастицы (теорема CPT).
10. Существуют оптически активные вещества, способные вращать плоскость поляризованного света, что связано с асимметричным строением их молекул. Такие молекулы не совмещаются со своим зеркальным отражением, существуют в двух модификациях, их называют «правыми» и «левыми» или оптическими изомерами. В неживой природе изомеры представлены поровну. В живой природе все белки построены из левых оптических изомеров аминокислот.
Таблица 2. 1.