Введение.
По курсу ТОПТ мы не нашли ГОСов, поэтому даем материал в таком виде исходя из следующего:
1. В современной научно-теоретической литературе и практической выделяют три основных вида технологий: технические, экономические и гуманитарные. (рис. 1.1).
2. В отсутствии ГОСов в каждом вузе данная дисциплина преподается с учетом своего профиля . МИРЭА – технический университет, поэтому в понятие «прогрессивные технологии» мы, в первую очередь, вкладываем понятие технических технологий.
В соответствии с принятыми в Европе стандартами под «прогрессивными технологиями» понимаются достижения в инновациях, которые при их быстром освоении могут серьезно поднять потенциал промышленности.
Всего было выделено 20 инновационных технологий будущего:
1. Нанотехнологии (фуллерены и углеродные нанотрубки)
2. Водородные технологии и топливные элементы
3. Технология интеллектуальных персональных объектов (Smart Personal Objects Technology)
Кремниевая фотоника
Дисплеи на органических светодиодах (organic light emitting diode, OLED)
Пластмассовые транзисторы
Автомобили без водителя
Средства инфракрасного противодействия
Электромагнитные бомбы
Литография дальнего ультрафиолетового диапазона
Биосенсоры
Анализ текстовых массивов
Социальные игры
Магнитная память
Радиочастотные идентификационные теги (RFID-radio-frequency identification)
Квантовая криптография
Специализированные вычислительные массивы
Ячеистая сеть
Мыслящие машины
Обратное проектирование
3. Дисциплина «Теоретические основы прогрессивных технологий (физика, химия, биотехнология)» представляет собой специализацию основ физики, химии и биологии применительно к потребностям отрасли. Здесь, с одной стороны, дается краткий обзор основных законов естествознания, с другой стороны, показывается, как на базе этих закономерностей возникают новые современные технологии, которые определяют пути развития научно технического прогресса.
4.Дисциплина «Теоретические основы прогрессивных технологий» закладывает основы научного мировоззрения, служит фундаментом общетехнической эрудиции, формирует «технический язык» будущего специалиста по экономике на предприятиях России. Обучение основным законам и универсальным принципам - основное направление современной подготовки специалиста широкого профиля, способного к быстрой перестройке профессиональной деятельности в соответствии с требованиями рынка.. Изучая эту дисциплину студент получает представление о таких приемах, как моделирование, метод аналогий, учится ставить задачи и находить оптимальные пути их решения, анализировать полученные результаты, работать с научной литературой, что является одной из основных задач современного образования.
НАЧАЛО
◾Теория Большого Взрыва утверждает, что вся физическая вселенная – материя, энергия и даже 4 измерения пространства и времени возникли из состояния бесконечных значений плотности, температуры и давления. Вселенная возникла из объема меньшего, чем точка и продолжает расширяться. Теория Большого Взрыва теперь общепринята, так как она объясняет оба наиболее значительных факта космологии: расширяющуюся Вселенную и существование космического фонового излучения.
◾Это событие произошло от 13 до 20 миллиардов лет назад. Можно воспользоваться известными законами физики и просчитать в обратном направлении все состояния, в которых находилась Вселенная, начиная с 10-43секунд после Большого Взрыва.
◾В течение первого миллиона лет вещество и энергия во Вселенной сформировали непрозрачную плазму, иногда называемую первичным огненным шаром.
◾К концу этого периода расширение Вселенной заставило температуру опуститься ниже 3000 K, так что протоны и электроны смогли объединяться, образуя атомы водорода. На этой стадии Вселенная стала прозрачной для излучения. Плотность вещества теперь стала выше плотности излучения, хотя раньше ситуация была обратной, что и определяло скорость расширения Вселенной.
◾Фоновое микроволновое излучение - все, что осталось от сильно охлажденного излучения ранней Вселенной.
Начало звездообразования
◾Это изображение показывает предположение о том, как выглядела очень молодая вселенная (меньше чем 1 миллиард лет), когда начиналось формирование звезд, преобразовывая исходный водород в бесчисленные звезды.
◾Первые галактики начали формироваться из первичных облаков водорода и гелия только через один или два миллиарда лет. Термин "Большой Взрыв" может применяться к любой модели расширяющейся Вселенной, которая в прошлом была горячей и плотной
◾Большое Магелланово Облако - галактика, которая сопровождает нашу собственную. Она видима невооруженным взглядом как туманная, удлиненная область неба. Оно расположено на расстоянии в 160,000 световых лет и охватывает область в 20,000 световых лет. Его видимая часть - десятая часть Млечного пути
◾Туманность Песочных часов - молодая планетарная туманность удаленная от нас приблизительно на 8000 световых лет. Изображение принималось в трех различных длинах волн, чтобы отразить газовый состав туманности. Азот показан красным цветом, водород - зеленым и вдвойне ионизированный кислород - синим. Точный процесс формирования пока неясен
◾Туманность Краба является одним из наиболее интересных объектов в небе. Это - остатки огромного звездного взрыва. Она была отображена во всех длинах волны от радио до гамма-лучей. Центральная звезда - пульсар - быстро вращающаяся нейтронная звезда. Она вращается настолько быстро, что импульс замечен каждые 0.033 секунды. В оптических длинах волны эта центральная звезда имеет 16-ую величину и находится вне досягаемости всех кроме наиболее мощных телескопов
◾Млечный Путь - это наша собственная галактика, видимая изнутри. Галактика представляет собой гигантскую звездную систему, состоящую приблизительно из 200 миллиардов звезд галактика Млечного пути - имеет приблизительно 100 000 световых лет в поперечнике и содержит более чем 100 миллиардов звезд. Галактика имеет форму линзы диаметром 80 тысяч световых лет и толщиной ~ 30 тысяч световых лет
Столкновение нашей Галактики
Примерно через три миллиарда лет наша Галактика столкнётся с Андромедой, так как вот уже почти столетие, как астрономы знают, что обе галактики приближаются друг к другу со скоростью 500 000 километров в час.
Что было до Большого взрыва?
◾Согласно этой теории, всё наблюдаемое пространство расширяется. Но что же было в самом начале? Всё вещество в Космосе в какой-то начальный момент было сдавлено буквально в ничто - спрессовано в одну-единственную точку. Оно имело фантастически огромную плотность - её практически невозможно себе представить, она выражается числом, в котором после единицы стоят 96 нулей, - и столь же невообразимо высокую температуру. Астрономы назвали такое состояние сингулярностью.
◾В силу каких-то причин это удивительное равновесие было внезапно разрушено действием гравитационных сил - трудно даже вообразить, какими они должны были быть при бесконечно огромной плотности «первовещества"!
Загадки теории Большого взрыва
1.Как гласит теория большого взрыва, Вселенная возникла из точки с нулевым объемом и бесконечно высокими плотностью и температурой. Это состояние, называемое сингулярностью, не поддается математическому описанию.
2.Теория большого взрыва не может объяснить существование галактик. Современные версии космологических теорий предсказывают только появление однородного облака газа.
3.Проблема "недостающей массы”. Измеряя световую энергию, излучаемую Млечным Путем, можно приблизительно определить массу нашей галактики. Она равняется массе ста миллиардов Солнц. Однако, изучая закономерности взаимодействия того же Млечного Пути с близлежащей галактикой Андромеды, мы обнаружим, что наша галактика притягивается к ней так, как будто весит в десять раз больше
1.Структурные уровни организации материи
1.1.Квантовомеханическое описание микромира
1.1.1. Квантово-механическая концепция
описания микромира
При переходе к исследованию микромира обнаружилось, что физическая реальность едина и нет пропасти между веществом и полем.
Изучая микрочастицы, ученые обнаружили: одни и те же объекты имеют как волновые, так и корпускулярные свойства.
Первый шаг в этом направлении был сделан немецким физиком М. Планком в конце XIX в.: в процессах излучения энергия может быть отдана или поглощена не непрерывно и не в любых количествах, а лишь в известных неделимых порциях — квантах. Энергия квантов определяется через число колебаний соответствующего вида излучения и универсальную естественную константу, которую М. Планк ввел в науку под символом h:Е= hν. День опубликования формулы14 декабря 1900 г., считается днем рождения квантовой физики,. всей атомной физики и начало новой эры естествознания.
А. Эйнштейн в 1905 г. он перенес гениальную идею квантованного поглощения и отдачи энергии при тепловом излучении на излучение вообще и таким образом обосновал новое учение о свете,как о потоке быстро движущихся квантов и пришел к выводу, что следует признать корпускулярную структуру света. Свет различной окраски состоит из световых квантов различной энергии.
Эйнштейн понял и наглядно представить явление фотоэлектрического эффекта, суть которого заключается в выбивании электронов из вещества под действием электромагнитных волн. Эксперименты показали, что наличие или отсутствие фотоэффекта определяется не интенсивностью падающей волны, а ее частотой. Если предположить, что каждый электрон вырывается одним фотоном, то становится ясно следующее: эффект возникает лишь в том случае, если энергия фотона, а следовательно, и его частота, достаточно велика для преодоления сил связи электрона с вещество(за эту работу Эйнштейн в 1922 г. получил Нобелевскую премию по физике)
Таким образом, свет ведет себя не только как волна, но и как поток корпускул. В опытах по дифракции и интерференции проявляются его волновые свойства, а при фотоэффекте — корпускулярные. При этом фотон оказался корпускулой совершенно особого рода. Основная характеристика его дискретности — присущая ему порция энергии — вычислялась через чисто волновую характеристику-частоту ν (Е = Нν)..
Развивая представления М. Планка и А. Эйнштейна, французский физик Луи де Бройль в 1924 г.выдвинул идею о волновых свойствах материи. Он утверждал, что волновые свойства, наряду с корпускулярными, присущи всем видам материи: электронам, протонам, атомам, молекулам и даже макроскопическим телам.
Согласно де Бройлю, любому телу с массой т, движущемуся со скоростью V, соответствует волна:
Фактически аналогичная формула была известна раньше, но только применительно к квантам света — фотонам.
В 1926 г. австрийский физик Э. Шредингер нашел математическое уравнение, определяющее поведение волн материи, так называемое уравнение Шредингера. Английский физик П. Дирак обобщил его.
Смелая мысль Л. де Бройля о всеобщем «дуализме» частицы и волны позволила построить теорию, с помощью которой можно было охватить свойства материи и света в их единстве.
Убедительным доказательством существования волновых свойств материи стало обнаружение в 1927 г. дифракции электронов американскими физиками К. Дэвиссоном и Л. Джер-мером. В дальнейшем были выполнены опыты по обнаружению дифракции нейтронов, атомов и даже молекул. Во всех случаях результаты полностью подтверждали гипотезу де Бройля. Признание корпускулярно-волнового дуализма в современной физике стало всеобщим. Любой материальный объект характеризуется наличием как корпускулярных, так и волновых свойств..
Окончательное формирование квантовой механики как последовательной теории произошло благодаря работам немецкого физика В. Гейзенберга, установившего принцип неопределенности и датского физика Н. Бора, сформулировавшего принцип дополнительности, на основании которых описывается поведение микрообъектов.
Суть соотношения неопределенностей В. Гейзенберга заключается в следующем. Для микрочастиц невозможно не только практически, но и вообще с одинаковой точностью установить место и величину движения..
Фундаментальным принципом квантовой механики наряду является и принцип дополнительности, которому Н. Бор дал следующую формулировку: «Понятия частицы и волны дополняют друг друга и в то же время противоречат друг другу, они являются дополняющими картинами происходящего».
Противоречия корпускулярно-волновых свойств микрообъектов являются результатом неконтролируемого взаимодействия микрообъектов и макроприборов. Имеется два класса приборов: в одних квантовые объекты ведут себя как волны, в других — подобно частицам.
Существенной чертой квантовой механики является вероятностный характер предсказаний поведения микрообъектов, которое описывается при помощи волновой функции Э. Шредингера. Волновая функция определяет параметры будущего состояния микрообъекта с той или иной степенью вероятности. Это означает, что при проведении одинаковых опытов с одинаковыми объектами каждый раз будут получаться разные результаты. Однако некоторые значения будут более вероятными, чем другие, т.е. будет известно лишь вероятностное распределение значений.
В 1964 г. Дж. С. Белл обосновал положение, согласно которому квантовая механика предсказывает более сильную корреляцию между взаимно связанными частицами, чем та, о которой говорил Эйнштейн.
Теорема Белла утверждает: если некоторая объективная Вселенная существует и если уравнения квантовой механики структурно подобны этой Вселенной, то между двумя частицами, когда-либо входившими в контакт, существует некоторый вид нелокальной связи. Суть теоремы Белла заключается в том, что не существует изолированных систем: каждая частица Вселенной находится в «мгновенной» связи со всеми остальными частицами. Вся система, даже если ее части разделены огромными расстояниями и между ними отсутствуют сигналы, поля, механические силы, энергия и т.д., функционирует как единая система.
В середине 80-х годов А. Аспект (Парижский университет) проверил эту связь экспериментально, изучая поляризацию пар фотонов, испускаемых одним источником в направлении изолированных детекторов. При сравнении результатов двух серий измерений между ними обнаружилась согласованность
Учеными было высказано предположение, что связь осуществляется через передачу информации, носителями которой выступают особые поля.