Федеральное агентство по образованию

Задание 1. Основой для развития науки является исследовательская программа. Она включает теории и гипотезы, методологию и методы исследования. Таково мнение британского учёного Имре Лакатоса. Ниже приведена характеристика научной исследовательской программы и примеры некоторых методологий (например, механицизма)

Имре Лакатос (Лакатош) (1922 – 1974)

И. Лакатос основное внимание уделяет не теориям, как таковым, а ведет речь об исследовательских программах. Научно-исследовательская программа является структурно-динамической единицей его модели науки. Чтобы понять, что такое программа научного поиска, вспомним о механицизме Декарта или Ньютона, об эволюционной теории Дарвина или о коперниканстве. Последовательная смена теорий, вытекающих из одного ядра, происходит в рамках программы с неопровержимой методологией, показывающей свою ценность, плодотворность и прогрессивность в сравнении с другой программой. Одолеваемая детскими болезнями, теория для своего развития, становления и укрепления нуждается во времени.

         Таким образом, история науки предстает, по Лакатосу, как история конкуренции исследовательских программ.

1. Найдите в учебной или справочной литературе определения теории, гипотезы, методологии, научного метода.

2. В приведённом выше отрывке противопоставляются механицизм и эволюционизм. Приведите краткую характеристику этим исследовательским программам.

Задание 2. Понятие научного метода познания имело свою историю. В настоящее время преимущество имеют эмпирические методы. Началом их целенаправленного применения является работа британского философа Френсиса Бэкона.

Френсис Бэкон (1561-1626) предложил реформу научного метода в своём трактате «Новый органон».

Он предложил ограничить сферу применения натурфилософии и обратиться к опыту как наиболее эффективному способу получения знаний

Натурфилософия опиралась на умозрительное истолкование природы, а опыт представляет собой изучение объекта через чувственное восприятие.

Френсис Бэкон

1. Приведите определения теоретического и эмпирического способа познания.

2. В учебной литературе найдите перечень методов, используемых современным естествознанием. Классифицируйте их на теоретические и эмпирические, имея в виду, что теоретические методы используются в «мысленном эксперименте», а эмпирические – в области, где задействованы чувства (органы чувств) исследователя.

3. Гуманитарное и естественнонаучное знание использует все методы, но предпочтения у двух направлений научной культуры разные. Предложите своё мнение о том, какие методы чаще встречаются в естествознании, а какие чаще используются в гуманитарной сфере.

4. Новые знания нуждаются в подтверждении их истинности или в опровержении их наукой. Для этого используются универсальные методики верификации и фальсификации. Найдите их определение и содержание и приведите ответ в кратком виде.

Задание 3. Одной из первых исследовательских программ была попытка рационального объяснения картины мира, предпринятая античными учёными. Наибольшую популярность приобрёл атомистический подход (атомизм) в объяснении строения и трансформации реального мира.

Демокрит (ок. 460 – ок. 370 до н.э.)

Атомизм был создан представителями досократическогопериода развития древнегреческой философииЛевкиппоми его ученикомДемокритом Абдерским. Согласно их учению существуют только атомы ипустота. Атомы — мельчайшие неделимые, невозникающие и неисчезающие, качественно однородные, непроницаемые (не содержащие в себе пустоты) сущности (частицы), обладающие определённой формой. Атомы бесчисленны, так как пустота бесконечна. Форма атомов бесконечно разнообразна. Атомы являются первоначалом всего сущего, всех чувственных вещей, свойства которых определяются формой составляющих их атомов.Демокритпредложил продуманный вариант механистического объяснения мира: целое у него представляет собой сумму частей, а беспорядочное движение атомов, их случайные столкновения оказываются причиной всего сущего.

1. Демокрит предложил считать мир дискретным. Что означает этот термин в современной трактовке?

2. Одним из элементов мира, по мнению античных учёных, была пустота. Именно в пустоте существовали атомы. Сравните понятие пустоты с концепцией физического вакуума в современном естествознании.

Задание 4. Исследовательская научная программа Аристотеля отличалась от атомизма представлением о континуальности материального мира.

Прерывность и непрерывность–

философской категории, характеризующие как структуру материи, так и процесс её развития. Прерывность означает "зернистость", дискретность пространственно-временного строения и состояния материи, составляющих её элементов, видов и форм существования, процесса движения, развития. Она основывается на делимости и определённой степени внутренней дифференцированности материи в её развитии, а также на относительно самостоятельном существовании составляющих её устойчивых элементов, качественно определённых структур, например элементарных частиц, ядер, атомов, молекул, кристаллов, организмов, планет, общественно-экономических формаций и т.д. Непрерывность, напротив, выражает единство, взаимосвязь и взаимообусловленность элементов, составляющих ту или иную систему определённой степени сложности. Непрерывность основывается на относительной устойчивости и неделимости объекта как качественно определённого целого. Именно единство частей целого и обеспечивает возможность самого факта существования и развития объекта как целого. Т. о., структура какого-либо предмета, процесса раскрывается как единство П. и н.

Аристотель (384-322 гг до н.э.)

1. Воспользуйтесь приведённым выше пояснительным текстом и другими источниками для определения понятия континуальности

2. Аристотель не признавал пустоты («Природа не терпит пустоты»). Приведите краткую характеристику его представлений о материи.

3. Аристотель считал, что взаимодействие материальных тел происходит по модели близкодействия. Раскройте это понятие с физической или философской точек зрения

Задание 5. За время существования науки от античных времён до наших дней сменилось несколько картин мира, когда человек по-разному воспринимал реальность и понимал законы её существование. Смены картин мира называются научными (естественнонаучными) революциями.

Первойкартиной мира была античная картина атомистического устройства реальности

Вторая научная картина мира была создана в конце 17-го века работами И. Ньютона. Она осталась в истории под названием «Динамика Ньютона» и «механицизм». Её основа – законы движения и взаимодействия тел

Третья революция в науке произошла в сер.19-го века с открытием полей как формы существования материи. Электромагнетизм рассматривал движение как перемещение заряженных частиц, а взаимодействие – как обмен зарядами

Последняя картина мира создана А.Эйнштейном в нач. 20-го века. Релятивизм рассматривает несколько отдельных форм движения материи и несколько типов взаимодействия (сильное, слабое, электромагнитное и гравитационное)

А. Эйнштейн (1879-1955)

1. Смена картин мира происходила по принципу соответствия. Раскройте научно-философское содержание этого принципа

2. Основой ньютоновской картины мира стал детерминизм («жёсткий детерминизм». Приведите его определение.

3. Электромагнетизм ввёл в науку понятие поля. Приведите его определение и несколько характеристик поля.

4. Релятивизм основывается на теориях относительности. Приведите пример и краткую характеристику этих теорий

Задание 6. Для всех научных картин мира характерен редукционизм как способ объяснения сложных явлений и объектов реальности. Воспользуйтесь рисунком и пояснительным текстом для выполнения задания

Задание

1. Приведите определение редукционизма или принципа редукции.

2. Рассмотрите рисунок и определите целый объект и его составные части.

3. Приведите пример редукции в гуманитарной сфере

Задание 7. Механи́ческим движе́нием тела называется изменение его положения в пространстве относительно других тел с течением времени. При этом тела взаимодействуют по законам механики. Раздел механики, описывающий геометрические свойства движения без учёта причин, его вызывающих, называется кинематикой

В более общем значении движением называется любое пространственное или временное изменение состояния физической системы. Например, можно говорить о движении волны в среде.

Классическая механика Ньютона лежит в основе классической механики. В 1667 г. Ньютон сформулировал три закона динамики, составляющие основной раздел классической механики. Основу механики Ньютона составляют закон инерции Галилея, два закона открытые Ньютоном, принцип дальнодействия и закон Всемирного тяготения, открытый также Исааком Ньютоном.

1. Согласно сформулированному Галилеем закону инерции, тело сохраняет состояние покоя или равномерного прямолинейного движения до тех пор, пока воздействие со стороны других тел не выведет его из этого состояния.

Первый закон Ньютона: всякая материальная точка (тело) сохраняет состояние покоя или равномерного прямолинейного движения до тех пор, пока воздействие со стороны других тел не заставит её изменить это состояние.

Стремление тела сохранить состояние покоя или равномерного прямолинейного движения называется инертностью или инерцией. Поэтому первый закон Ньютона называют также законом инерции

2. Этот закон устанавливает связь между массой тела, силой и ускорением.

Второй закон Ньютона: ускорение, приобретаемое материальной точкой (телом), пропорционально вызывающей его силе и обратно пропорционально массе материальной точки (тела)

Второй закон справедлив только в инерциальных системах отсчета. Первый закон можно получить из второго.

3. Устанавливает связь между силой действия и силой противодействия.

Третий закон Ньютона: всякое действие материальных точек (тел) друг на друга носит характер взаимодействия; силы, с которыми действуют друг на друга материальные точки, равны по модулю, противоположно направлены и действуют вдоль прямой, соединяющей эти точки.

4. В качестве IV закона выступает закон всемирного тяготения.

Два любых тела притягиваются друг к другу с силой пропорциональной массе сил и обратно пропорциональной квадрату расстояния между центрами тел.

Используйте этот пояснительный текст для выполнения задания

Задание:

1. Приведите определения основным положениям и понятиям динамики

2. Материальный мир в динамике представлен только телами. Какие изменения в отношении материального мира произошли в последующих картинах мира?

Задание 8. Взаимодействие в материальном мире рассматривалось разными научными картинами мира. Современная картина мира выделяет четыре типа фундаментальных взаимодействий. На рисунке приведена иллюстрация сильного взаимодействия. В пояснительном тексте и сводной таблице бозонов дана краткая характеристика электромагнитного взаимодействия и бозонов-переносчиков других типов взаимодействий

Рис 1. Модель взаимодействия между частицами

Рис 2. Проекция адронного коллайдера в Церне на местность

Электромагнитное взаимодействие— одно из четырёхфундаментальных взаимодействий. Электромагнитное взаимодействие существует междучастицами, обладающимиэлектрическим зарядом. С современной точки зрения электромагнитное взаимодействие между заряженными частицами осуществляется не прямо, а только посредством электромагнитного поля.

С точки зрения квантовой теории поляэлектромагнитное взаимодействие переносится безмассовымбозоном—фотоном(частицей, которую можно представить как квантовое возбуждение электромагнитного поля – см. модель на рис 1). Сам фотон электрическим зарядом не обладает, а значит, не может непосредственно взаимодействовать с другими фотонами.

Из фундаментальных частиц в электромагнитном взаимодействии участвуют также имеющие электрический заряд частицы: кварки,электрон,мюонитау-частица(изфермионов), а также заряженые калибровочныебозоны.

Другие виды взаимодействия переносятся частицами, реальность которых предстоит доказать после экспериментов с адронным коллайдером в Церне (Швейцария). ОН предназначен для изучения внутренних взаимодействий в адронах – самых тяжёлых частицах. Эта огромная экспериментальная установка (см. рис 2) предназначена для сталкивания адронов и изучения образующихся в результате столкновения бозонов (см. табл. ниже) и других частиц.

Это список фундаментальныхбозоноввфизике элементарных частиц- переносчиковслабого, электромагнитного, сильного и гравитационного взаимодействий

Задание:

1. В современной картине мира признаны четыре типа взаимодействия. Перечислите их с приведением краткой характеристики от самого сильного к самому слабому типу:

2. В пояснительном тексте упомянуты частицы-переносчики взаимодействий. Приведите пример частицы-переносчика для каждого типа взаимодействий из списка, составленного выше.

Задание 9. Слабое взаимодействие проявляется в микромире. Оно характерно для некоторых физических процессов. Рассмотрите рисунок и познакомьтесь с пояснительным текстом.

На рисунке приведен процесс распада, характерный для неустойчивых атомов (например, изотопов). При этом происходи излучение в пространство частиц, образующих атомную структуру. Используйте это замечание и рисунок для выполнения задания

Задание:

1. Дайте определение некоторым упомянутым в тексте понятиям:

2. Приведите примеры слабого излучения в макромире, где объекты соизмеримы с человеком

Задание 10. Современное естествознание является продолжением науки прошлого. Однако в его структуре происходят изменения. Определите науки, которые продолжают составлять фундамент естествознания, частные науки и интегральные научные направления

1. Фундаментальные науки в составе естествознания:

2.Частные науки в составе естествознания:

3. Дайте определение дифференциации наук:

4. Поясните, что означает интеграция наук как будущее гуманитарной и естественнонаучной сфер знания:

Задание 1. В настоящее время в естествознании преобладают определения категорий симметрии и асимметрии на основании перечисления определенных признаков. Например, симметрия определяется как совокупность свойств: порядка, однородности, соразмерности, гармоничности. Все признаки симметрии во многих ее определениях рассматриваются равноправными, одинаково существенными, и в отдельных конкретных случаях при установлении симметрии какого-то явления, можно пользоваться любым из них. Так, в одних случаях симметрия - это однородность, в других - соразмерность и т. д. То же самое можно сказать и о существующих в частных науках определениях асимметрии.            

    Идея симметрии часто являлась отправным пунктом в гипотезах и теориях ученых прошлого. Вносимая симметрией упорядоченность проявляется, прежде всего, в ограничении многообразия возможных структур, в сокращении числа возможных вариантов. В качестве важного физического примера можно привести факт существования определяемых симметрией ограничений разнообразия структур молекул и кристаллов.

1. Воспользуйтесь приведённым выше пояснением и рекомендованной учебной литературой для того, чтобы дать определения некоторым аспектам симметрии.

1. Изотропность пространства:

2. Однородность пространства

1. Однородность времени:

2. Анизотропность времени:

2. В 1918 году немецкий математик Эмми Нётер сформулировала фундаментальную теорию физики, где устанавливается связь между симметрией физической системы и законами сохранения. Главные выводы Э. Нётер касаются того, что при глобальных преобразованиях системы некоторые её свойства сохраняются. Особенно важны преобразования системы во времени и пространстве. Ниже приведены примеры преобразований системы. Соотнесите их с теми параметрами системы, которые при этих преобразованиях не меняются (воспользуйтесь тезаурусом, приведённым в УМК по дисциплине как справочным материалом и текстом из задания №2)

Задание 2. Ниже приведены некоторые фундаментальные законы сохранения, являющиеся проявлением симметрии. Раскройте содержание некоторых законов (по своему выбору) и некоторых понятий, приведённых в пояснительном тексте.

Закон сохранения энергии, являющийся следствием симметрии относительно сдвига во времени (однородности времени).

       Закон сохранения импульса, являющийся следствием симметрии относительно параллельного переноса в пространстве (однородности пространства).

        Закон сохранения момента импульса, являющийся следствием симметрии относительно поворотов в пространстве (изотропности пространства).

    Закон сохранения заряда, являющийся следствием симметрии относительно замены описывающих систему комплексных параметров на их комплексно-сопряженные значения (С-инвариантность).

    Закон сохранения четности, являющийся следствием симметрии относительно операции инверсии (зарядовая симметрия, Р- инвариантность).

    Закон сохранения энтропии, являющийся следствием симметрии относительно обращения времени  (Т-инвариантность).

1. Формулировка некоторых законов сохранения:

2. Раскройте содержание следующих понятий:

Задание 3. Основные симметрии связаны с особенностями пространства и времени. Представления о времени и пространстве менялись по мере усложнения картины мира от античных времён до научной эпохи релятивизма. Ниже приведены отрывки из учебников, показывающие трансформацию идеи времени и пространства у Аристотеля и И. Ньютона. Воспользуйтесь ими для выполнения задания

Аристотелевский анализ времени представлен в его "Физике". У Аристотеля время – мера движения. Но и само время измеряется движением. Но мерой времени является не всякое движение, а лишь равномерное круговое движение небесной сферы, "круг времени". Но там, где есть мера, есть и число. Поэтому время есть число непрерывного движения, "время не есть движение, а является им постольку, поскольку движение имеет число". Следовательно, оно считаемо. Но считаемого нет без считающего. "Если же по природе ничто не способно считать, кроме души и разума души, то без души не может существовать время..."

Абсолютное пространство — в классической механике— трёхмерноеэвклидово пространство, в котором выполняетсяпринцип относительности и преобразования Галилея. Термин введёнНьютоном(вместе с концепциейабсолютного времени) в «Математических началах натуральной философии». Пространство и время у него выступают в качестве универсального вместилища, обладающего отношениями порядка и существующие независимо как друг от друга, так и материальных тел:

…время и пространство составляют как бы вместилища самих себя и всего существующего. Во времени все располагается в смысле порядка последовательности, в пространстве — в смысле порядка положения. По самой своей сущности они суть места, приписывать же первичным местам движения нелепо. Вот эти-то места и суть места абсолютные, и только перемещения из этих мест составляют абсолютные движения.

Задание:

1. У Аристотеля и И.Ньютона пространство и время – абсолютны. Что это означает по своей сути?

2. И у Аристотеля и у И. Ньютона есть свои представления о системе отсчёта, относительно которой регистрируется и измеряется движение. Найдите указания на эти системы и назовите их:

3. Аристотель считает, что время существует до тех пор, пока существует наблюдатель, а И. Ньютон имеет на этот счёт другое мнение. Выделите из текста и изложите мнения двух учёных:

Задание 4. В начале 20-го века началось детальное изучение микромира и элементарных частиц. Физика столкнулась с особыми свойствами структур микромира, которые невозможно было описать законами классической физики. Эти свойства получили названия парадоксов микромира (парадоксов квантовой физики).

1. Пустота: Если увеличить ядро атома водорода до размеров баскетбольного мяча, то вращающийся вокруг него электрон будет находится на расстоянии 30 километров, а между ними - ничего!

2. Волночастица: Состояние частицы зависит от самого акта измерения или наблюдения. Не измеряемый и ненаблюдаемый электрон ведет себя как волна (поле вероятностей). Стоит подвергнуть его наблюдению в лаборатории, и он схлопывается в частицу (твердый объект, чье положение можно локализировать).

3. Квантовый скачок. Уходя со своей орбиты атомного ядра электрон движется не так, как обычные объекты, - он передвигается мгновенно. Т.е. он исчезает с одной орбиты и появляется на другой. Точно определить где возникнет электрон или когда он совершит скачок невозможно, максимум что можно сделать, это обозначить вероятность нового местоположения электрона.

4. Принцип неопределенности Гейзенберга. Невозможно одновременно точно замерить скорость и положение квантового объекта. Чем больше мы сосредотачиваемся на одном из этих показателей, тем более неопределенным становится другой.

5. Теорема Белла. Все на свете нелокально, элементарные частицы тесно связаны между собой на некоем уровне за пределами времени и пространства. Т.е.: если спровоцировать образование двух частиц одновременно, они окажутся непосредственно связаны друг с другом или будут находиться в состоянии суперпозиции. Если мы затем выстреливаем их в противоположные концы вселенной и через некоторое время тем или иным образом изменим состояние одной из частиц, вторая частица тоже мгновенно изменится, чтобы прийти в такое же состояние.

Со времени открытия парадоксов физика микромира стала неклассической. Ниже приведён отрывок, показывающий принципиальное различие в представлениях о сущности материи на микроуровне. Используйте этот текст для выполнения задания.

Поле - это особая форма материи, которая наделена реальными физическими свойствами, такими как энергия. К наиболее известным относятся электромагнитное и гравитационное поля. В классической физике эти два вида материи - вещество и поле, противопоставляются друг другу. На том основании, что вещество это дискретная, а поле – это непрерывная субстанция. В микромире полевые и корпускулярные аспекты объединяются и представляют собой различные проявления единой, принципиально новой в сущности микрочастиц. Иначе говоря, на микроуровне электромагнитное поле проявляет корпускулярные свойства и наоборот, частица, напр. Электрон, может проявлять волновые свойства. Макромир характеризуется, прежде всего, огромными массами и относительно малыми скоростями движения, в микромире малые массы, но высокие скорости движения. Для макромира характерны большие расстояния вплоть до бесконечности, а взаимодействие в микромире имеют размеры, сопоставимые с размером ядер. Время: в макромире порядок времени, единицы измерения известны, но в микромире мы имеем дело с планковскоми временами, которые очень малы, коротки.

Задание:

1. Найдите значение термина корпускула или приведите перевод этого термина, воспользовавшись словарём. Дайте краткую физическую характеристику корпускулярным объектам.

2. Изучение элементарных частиц привело к появлению в естествознании представления о корпускулярно-волновых свойствах материи (квантово-волновой дуализм). Найдите подтверждение этому в тексте и изложите приведённые сведения:

3. Квантово-волновой дуализм – универсальное явление, но в макромире он незаметен. Какие отличия микромира способствуют проявлению корпускулярно-волновых свойств материи.

Задание 5. Согласно теории Максвелла свет распространяется со скоростью 300 000 км/с. Спрашивается, относительно чего свет движется с такой скоростью? (Если самолет летит по направлению ветра, скорость которого 100 км/ч, а его собственная скорость относительно воздуха 500 км/ч, то относительно Земли самолет летит со скоростью 600 км/ч).

Относительно чего свет движется со скоростью c? Ответ на этот вопрос не содержится ни в теории Максвелла, ни в теории Юнга. Если свет – волна, и если волна распространяется в среде, то свет движется со скоростью c относительно среды. Эта светоносная среда получила название эфира. Дебаты, касающиеся светоносного эфира к концу XIX в. достигли особой остроты. Интерес к эфиру возрос, когда стало ясно, что созданная Максвеллом теория оказалась успешной и, вроде бы, свидетельствует о том, что эфир можно наблюдать.

Если эфир существует, то должен быть обнаружен эфирный ветер. Опыт по обнаружению эфирного ветра был поставлен в 1881 г. американскими учеными А.Майкельсоном и Р.Морли с помощью оригинального интерферометра. Наблюдения проводились в течение длительного времени. Опыт многократно повторяли. Результат оказался отрицательным: никакого движения Земли относительно эфира обнаружить не удалось.

Задание:

1. Движение можно зарегистрировать только по отношению к какой-либо системе отсчёта. Воспользуйтесь текстом выше, чтобы доказать, что эфир считался универсальной системой отсчёта до опытов Майкельсона-Морли. Кратко изложите результаты анализа:

2. Отказ от мирового эфира привёл к необходимости использовать любую систему для того, чтобы регистрировать движение другой системы. Это возродило популярность давно известного принципа относительности. Приведите формулировку принципа относительности и назовите его автора.

Для описания процессов, происходящих в природе, необходимо иметь систему отсчета. Под системой отсчета мы понимаем систему координат, которая служит для указания положения тел в пространстве, вместе со связанными с этой системой координат часами, необходимыми для отсчета времени. Характер движения тел при этом зависит, разумеется, от выбора системы отсчета. Преимуществом пользуются те системы, в которых движение выглядит максимально просто. Как известно в природе существуют такие системы отсчета, в которых свободное движение тела (не находящегося под воздействием внешних сил) выглядит особенно просто — оно происходит с постоянной по величине и направлению скоростью. Такие системы отсчета называются инерциальными.

3. В пояснительном тексте приведены приоритетные свойства системы отсчёта, которые позволяют регистрировать и измерять относительное движение системы без лишних осложнений. Найдите эти свойства и изложите их или прокомментируйте

Задание 6. ОТНОСИТЕЛЬНОСТЬ. Теории относительности образуют существенную часть теоретического базиса современной физики. Существуют две основные теории: частная (специальная) и общая. Обе были созданы А.Эйнштейном, частная – в 1905, общая – в 1915. В современной физике частная теория относительности (СТО) вместе с квантовой механикой (которая в окончательном виде была сформулирована к 1925) играет такую же роль, какую раньше играла механика Ньютона. Ньютоновская механика хорошо описывала поведение объектов средних размеров, движущихся со скоростями, намного меньшими скорости света, но не могла описать движение очень малых объектов, таких, как атомы и входящие в состав атомов частицы, или же частицы, из которых состоят космические лучи. Эти несоответствия стали проявляться в начале 20 в.

Специальная теория относительности – это динамическая теория, построенная по той же логике, что и теория динамики тел И.Ньютона. Основа теории относительности та же _ принцип относительности Г.Галилея. Далее приведена его вольная формулировка. Все уравнения механики запишутся одинаково в любой инерциальной системе отсчета - иначе говоря, законы механики не зависят от того, в какой из инерциальных систем отсчета мы их исследуем, не зависят от выбора в качестве рабочей какой-то конкретной из инерциальных систем отсчета. Также - поэтому - не зависит от такого выбора системы отсчета наблюдаемое движение тел (учитывая, конечно, начальные скорости). Это утверждение известно как принцип относительности Галилея.

Иным образом этот принцип формулируется (следуя Галилею) так: если в двух замкнутых лабораториях, одна из которых равномерно прямолинейно (и поступательно) движется относительно другой, провести одинаковый механический эксперимент, результат будет одинаковым.

Рисунок Эшера показывает возможности графики для создания закономерного, но реально несуществующего искажения пространства. Такой же эффект в сознании производят постулаты и содержание теорий относительности А. Эйнштейна

Уравнения теории относительности.

Специальная теория относительности, принципы которой сформулировал в 1905 г. А. Эйнштейн, представляет собой современную физическую теорию пространства и времени, в которой, как и в классической ньютоновской механике, предполагается, что время однородно, а пространство однородно и изотропно. Специальная теория часто называется релятивистской теорией, а специфические явления, описываемые этой теорией - релятивистским эффектом (эффект замедления времени).

В основе специальной теории относительности лежат постулаты Эйнштейна:

1. принцип (постулат) относительности: никакие опыты (механические, электрические, оптические), проведенные в данной инерциальной системе отсчета, не дают возможности обнаружить, покоится ли эта система или движется равномерно и прямолинейно; все законы природы инвариантны по отношению к переходу от одной инерциальной системы к другой;

2. принцип (постулат) инвариантности скорости света: скорость света в вакууме не зависит от скорости движения света или наблюдателя и одинакова во всех инерциальных системах отсчета.

Первый постулат, являясь обобщением механического принципа относительности Галилея на любые физические процессы, утверждает таким образом, что физические законы инвариантны по отношению к выбору инерциальной системы отсчета, а уравнения, описывающие эти законы, одинаковы по форме во всех инерциальных системах отсчета. Согласно этому постулату, все инерциальные системы отсчета совершенно равноправны, т. е. явления механические, электродинамические, оптические и др. во всех инерциальных системах отсчета протекают одинаково. Согласно второму постулату, постоянство скорости света в вакууме - фундаментальное свойство природы.

1. Главный смысл специальной теории относительности состоит в том, чтобы подтвердить справедливость теорий физиков-предшественников (например, И.Ньютона или Д. Максвелла). Докажите это, воспользовавшись текстами для справки, приведёнными выше или собственными источниками доказательств и кратко изложите свои выводы.

2. Все параметры реальности переменны и только скорость света – константа. Приведите определения некоторых эффектов специальной теории относительности

Задание 7. А. Эйнштейн предложил отказаться от представлений об абсолютном времени и пространстве. У Исаака Ньютона пространство и время были основными формами существования материи, а в теории относительности они сменили статус и стали атрибутами материи.

В классической механике понятия пространства и времени предстают обособленными, а в специальной теории относительности они образуют четырёхмерный мир – континуум, где трёхмерное пространство дополняется координатой времени. Такое понятие неклассической физики получило название постранственно-временного континуума

1. Пространство и время начинают деформироваться только в определённых условиях. Найдите в учебной литературе примеры тех внешних условий, которые способны изменить течение времени, остановить время, деформировать пространство или свернуть его в точку. Приведите один-два примера условий, при которых выводы специальной теории относительности становятся заметными:

2. Специальная теория относительности вполне совместима с динамикой И. Ньютона. Однако это происходит в соответствующих условиях и обстоятельствах. Приведите пример сред и параметров, которые делают теорию относительности и механику Ньютона совместимыми:

Задание 8. О́бщая тео́рия относи́тельности (ОТО) — геометрическая теория тяготения, развивающая специальную теорию относительности (СТО), опубликованная Альбертом Эйнштейном в 1915—1916 годах. В рамках общей теории относительности, как и в других метрических теориях, постулируется, что гравитационные эффекты обусловлены не силовым взаимодействием тел и полей, находящихся в пространстве-времени, а деформацией самого пространства-времени, которая связана, в частности, с присутствием массы-энергии. Общая теория относительности отличается от других метрических теорий тяготения использованием уравнений Эйнштейна для связи кривизны пространства-времени с присутствующей в нём материей. ОТО в настоящее время — самая успешная теория, хорошо подтверждённая наблюдениями. Первый успех общей теории относительности состоял в объяснении аномальной прецессии перигелия Меркурия. Затем, в 1919 году, Артур Эддингтон сообщил о наблюдении отклонения света вблизи Солнца в момент полного затмения, что качественно и количественно подтвердило предсказания общей теории относительности.

Используйте этот пояснительный текст для выполнения задания

Задание:

1. В учебной литературе найдите объяснение взаимосвязи массы и энергии, выраженное в приведённой рядом формуле.

Е =m c²

2.Общая теория относительности распространяет принцип относительности на неинерциальные системы. Приведите определение неинерциальных систем.

3. Общая теория относительности построена на основе принципа эквивалентности. Приведите формулировку этого принципа в изначальном виде или в контексте общей теории относительности.

Задание 9. Для современного естествознания характерно представление о близкодействии при описании взаимодействий. Гравитация – исключение. Это констатирует пояснительный текст. Используйте его при выполнении задания.

Гравита́ция (всеми́рное тяготе́ние, тяготе́ние) (от лат.gravitas — «тяжесть») — дальнодействующеефундаментальное взаимодействие, которому подвержены все материальные тела. По современным представлениям является универсальным взаимодействиемматерииспространственно-временным континуумом, и, в отличие от других фундаментальных взаимодействий, всем без исключения телам, независимо от ихмассыи внутренней структуры, в одной и той же точке пространства и времени придаёт одинаковоеускорениеотносительнолокально-инерциальной системы отсчёта—принцип эквивалентности Эйнштейна. Главным образом, определяющее влияние гравитация оказывает на материю вкосмическихмасштабах. Термингравитация используется также как название раздела физики, изучающего гравитационное взаимодействие. Наиболее успешной современной физической теорией вклассической физике, описывающей гравитацию, являетсяобщая теория относительности;квантовая теория гравитационного взаимодействияпока не построена.

Принцип равенства гравитационной и инертной масс

В нерелятивистской механике(классической) существует два понятиямассы: первое относится ко второму закону Ньютона, а второе — кзакону всемирного тяготения. Первая масса — инертная (или инерционная) — есть отношениенегравитационной силы, действующей на тело, к его ускорению. Вторая масса — гравитационная — определяет силу притяжения тела другими телами и его собственную силу притяжения. Вообще говоря, эти две массы измеряются, как видно из описания, в различных экспериментах, поэтому совершенно не обязаны быть пропорциональными друг другу. Их строгая пропорциональность позволяет говорить о единой массе тела как в негравитационных, так и в гравитационных взаимодействиях. Подходящим выбором единиц можно сделать эти массы равными

1. Какие объекты подвержены воздействию гравитации?

2. Как оценивается гравитационный тип взаимодействия в современной физике по своей силе по сравнению с другими типами взаимодействия? Какая частица является переносчиком этого взаимодействия?

3. Главной целью своей общей теории относительности А. Эйнштейн видел использование идеи гравитации для обобщения требования инвариантности к любым типам движения, в том числе и ускоренным. В чём содержание универсальной инвариантности в общей теории относительности и какова роль гравитации в реализации этой идеи?

Задание 10. Одним из главных достижений общей теории относительности является доказательство тождественности инертной массы и гравитационной. Это позволило считать гравитацию последствием воздействия массы на пространство и время (чем больше масса, тем сильнее деформируется вокруг него пространство и время). Иными словами, тело определяет геометрию пространства и темп времени, а не наоборот (как считали в классической физике).

Кривизна пространства вблизи массивных тел (геодезические линии показаны чёрным цветом, траектории движущихся по периферии объектов – красным)

Расхождение (девиация) геодезических линий вблизи массивного тела показана на рисунке.

Если запустить из двух близких точек два тела параллельно друг другу, то в гравитационном поле они постепенно начнут либо сближаться, либо удаляться друг от друга. Этот эффект называется девиацией геодезических линий. Аналогичный эффект можно наблюдать непосредственно, если запустить два шарика параллельно друг другу по резиновой мембране, на которую в центр положен массивный предмет. Шарики разойдутся: тот, который был ближе к предмету, продавливающему мембрану, будет стремиться к центру сильнее, чем более удалённый шарик. Это расхождение (девиация) обусловлено кривизной мембраны.

1. Из предложенного списка научных картин мира выберите те, которые считают, что пространство и время являются не самостоятельными сущностями, а атрибутами материи (подчеркните выбранные картины мира):

   1. 1.1. Античная

   2. 1.2. Ньютоновская

   3. 1.3.Электромагнитная

   4. 1.4. Релятивистская

2. Общая теория относительности утверждает, что пространственно-временные свойства окружающего мира зависят от расположения и движения тяготеющих масс. Воспользуйтесь доступными источниками информации, чтобы привести примеры, когда время и пространство перестают существовать или максимально деформируются.

3. Общая теория относительности потребовала необходимости обращать внимание на симметрию законов (точнее: на необходимость преобразования этих законов, сохраняя их форму), которая проявляется в любых условиях реальности. На этом основан вывод о равноценности любых систем отсчёта для описания природных процессов. Воспользуйтесь рекомендованной литературой и приведите соответствующие этому утверждению цитаты (цитату) с комментариями.