Основные открытия и достижения естествознания в хх веке

Можно выделить следующие важнейшие достижения и открытия естествознания в ХХ веке, которые решающим образом определили последующие достижения в технологиях и все развитие цивилизации: открытие микромира(структура атомов и молекул, атомных ядер, многочисленных субатомных частиц), выявлениефундаментальных взаимодействий, создание теории относительности (специальной и общей), создание квантовой механики, квантовой теории поля и квантовой статистики, открытиеантичастиц,сверхпроводимости, объединение электромагнитных и слабых взаимодействий, создание теории химических связей, открытие нестационарности нашей Вселенной (закон Хаббла) и установление ее возраста, открытие мирагалактик,квазаров,пульсаров,реликтового излучения, создание ускорителей, ядерных реакторов и ядерного оружия, выход в космос и полеты к другим планетам, открытие структуры молекул белков, ДНК и РНК и их роли в основных биохимических процессах в живых организмах, получениеизотопови синтез множества новых химических соединений, расшифровкагеномачеловека и ряда других организмов, первые шагигенной инженериии новые биотехнологии (производствоферментов, лекарственных препаратов, пищевых добавок и др.). Гигантские шаги сделали авиация, космическая техника, телескопостроение, транспорт и средства связи, появилось телевидение, радиолокация,транзисторы,электронные микроскопы,лазеры,компьютерыи многое другое (см. также Приложение 3).

***

Российская экономическая академия им. Г. В. Плеханова. Кафедра физики

Концепции современного естествознания (Материалы для самостоятельной работы студентов)

Лекции: Тема 2. Фундаментальные концепции естествознания(с. 5 – 6)

Материя – все то, что прямо или косвенно действует на органы чувств человека и другие материальные объекты; тождественна реальности, или реально существующему; в природе не существует в бесформенном состоянии, но образует иерархическую систему материальных объектов и систем различных масштабов, состава и сложности (субатомные частицы, атомы, молекулы, макросистемы, живые организмы, звезды и планеты, галактики и др.).

Все разнообразие природных систем условно делят на три мира: микромир, или мир микрообъектов, к которым относятся простые молекулы, атомы и субатомные частицы; макромир, или мир макросистем, каждая из которых состоит из огромного числа атомов и молекул, и мегамир – Метагалактика с ее галактиками и звездами.

Виды материи в физике: вещество, физические поля, вакуум (физический вакуум).

Вещество – любые материальные объекты и природные системы, обладающие массой и другими зарядами: электрическим, барионным, лептонным, цветовым; в макроскопических количествах может находиться в различных агрегатных состояниях: твердом (различных модификаций), жидком, газообразном, плазменном.

Поле – фактор, обеспечивающий взаимодействие вещественных тел и систем путем обмена соответствую-щими квантами (напр., электромагнитное поле – фотонами, гравитационное поле – гравитонами и др.); также состояние пространства (вакуума), в котором происходят физические процессы и в каждой точке которого заданы физические величины, характеризующие поле (поле скоростей, поле температур и т. п.). В классической физике, изучающей явления макромира, поле рассматривается как нечто, противоположное веществу, хотя оно порождается веществом и действует на него; для объектов микромира, в соответствии с концепцией корпускулярно-волнового дуализма, нет принципиального отличия поля от вещества. В квантовой теории поле можно представить как поток квантов поля, имеющих энергию и импульс.

Вакуум – состояние всех возможных квантовых полей с минимальной энергией. В классической физике рассматривается как «пустота», которая не оказывает видимого сопротивления движению или существованию в ней известных нам материальных объектов; в квантовой теории поля может взаимодействовать с реальными частицами посредством виртуальных частиц, которые он непрерывно и хаотически испускает и вновь поглощает.

Состояние материального объекта (системы) определяется набором физических величин (параметров состояния), которые могут изменяться непрерывно или дискретно и могут быть измерены и выражены в виде чисел (напр., пространственно-временные координаты и интервалы, скорость, импульс, энергия, температура, энтропия, электрический заряд и др.).

Движение – любые изменения, происходящие с материальными объектами в результате их взаимодействий.

Виды движения: механическое (относительные перемещения тел), колебательное и волновое (периодически повторяющееся), тепловое (хаотическое движение атомов и молекул), распространение различных полей, процессы переноса в неоднородных макросистемах (диффузия, теплопроводность), фазовые переходы между различными агрегатными состояниями (плавление, парообразование, кристаллизация), радиоактивный распад, химические и ядерные реакции, эволюция Метагалактики, галактик, звезд, живых организмов и т. д.

Пространство и время – всеобщие формы существования и движения материи; в теории относительности рассматриваются как единый континуум (непрерывное множество) – единое пространство-время; в квантовой теории поля имеет структуру пространственно-временной пены, у которой размеры минималь-ных ячеек – планковское время 10^-43 с и планковская длина 10^-35 м (эти величины определяются значениями универсальных физических постоянных, или мировых констант: скоростью света в вакуума, гравитационной постоянной и постоянной Планка).

Время выражает порядок смены физических состояний материальных объектов и в этом смысле оно универсально, объективно существуя, пока существуют какие-либо изменения в природе; время можно измерить с помощью часов, в качестве которых используется любой подходящий физический процесс, напр., вращение Земли, электромагнитное излучение возбужденных атомов и т. п. При измерениях используется постулат времени: одинаковые во всех отношениях явления происходят за одинаковое время. Время всегда относительно, абсолютного времени реально не существует. Любые часы показывают лишь местное время, которое зависит от физических условий, в которых они находятся. В частности, согласно теории относительности: 1) движущиеся часы замедляют свой ход по сравнению с такими же неподвижными часами (релятивистское замедление времени) и 2) часы замедляют свой ход в сильном поле тяготения вблизи больших масс (гравитационное замедление времени).

Необратимость времени: невозможно полностью вновь воспроизвести прошлое, что обусловлено необратимостью реальных физических процессов, связанных с тепловым движением атомов и молекул.

Пространство выражает порядок сосуществования физических тел. В отличие от одномерного времени реальное физическое пространство трехмерно (имеет 3 измерения), но, как и время, относительно. Согласно общей теории относительности, любая масса искривляет пространство (и общее пространство-время – ПВ) поблизости от себя. В пределах Солнечной системы это искривление ничтожно мало, но вокруг тела с достаточно большой (критической) плотностью вещества искривление становится настолько большим, что ПВ «замыкается» локально само на себя, отделяя это тело от остальной Вселенной и образуя черную дыру. Свойства черной дыры таковы, что движение материи (вещественных тел и света) возможно только внутрь ее, но не наружу. На поверхности черной дыры (на горизонте событий) для внешнего наблюдателя время как бы останавливается.

Универсальные физические постоянные(мировые константы) – физические величины, значения которых одинаковы для нашей Вселенной и не меняются с течением времени; определяют свойства основных природ-ных структур; измерены с высокой точностью, но не выводятся из каких-либо принципов. Основные из них приведены в таблице:

Скорость света в вакууме с = 3.10⁸ м/c. Элементарный электрический заряд e₀ = 1,6.10^-19 Кл.

Гравитационная постоянная G = 6,67.10^-11 Н.м²/кг². Масса электрона m_e = 0,911.10^-30 кг.

Постоянная Планка h = 6,63.10^-34 Дж.с. Масса протона m_p = 1,67.10^-27 кг = 1836 m_e .

Фундаментальные взаимодействия– четыре вида взаимодействий (гравитационное,электромагнитное,сильноеислабое), к которым могут быть сведены все другие взаимодействия в природе.

Гравитационное взаимодействие(тяготение) проявляется во взаимном притяжении любых вещественных объектов, имеющих массу; действует на любых расстояниях между объектами и пропорционально произведению их масс; гораздо слабее других фундаментальных взаимодействий, поэтому заметно только для очень больших масс (в космических масштабах); переносчики взаимодействия – гипотетическиегравитоныс нулевой массой, наблюдение которых даже в будущем весьма проблематично из-за исключительной слабости взаимодействия.

Электромагнитное взаимодействие(электромагнетизм) обусловлено существованием в природе электрических зарядов и при их отсутствии не проявляется; благодаря ему существуют атомы и молекулы, происходят химические превращения веществ, возникают силы трения, упругости, поверхностного натяжения и др.; действует на любых расстояниях между зарядами, но во много раз сильнее сил тяготения; переносчики –фотоны, иликвантыэлектромагнитного поля с нулевой массой, фиксируются приборами какэлектромагнитные волныразличной частоты.Видимый свет, воспринимаемый глазами человека и дающий нам основную долю информации об окружающем мире (90%), представляет собой электромагнитные волны в довольно узком диапазоне длин волн (примерно от 0,4 до 0,8 мкм), что соответствует максимуму интенсивности солнечного излучения в этом диапазоне. Получение, преобразование и широкое использование электромагнитных полей и электрических токов составляет фундамент современной техники (электрогенераторы, электродвигатели, электронагревательные приборы, средства освещения, телефон и телеграф, телевидение, телескопы и микроскопы, лазеры, компьютеры и т. п.).

Сильное взаимодействиеобеспечивает существованиенуклонов(протонов и нейтронов) иатомных ядер, заметно проявляется на расстояниях не более 10^-15м; передаетсяглюонами, которые «склеивают» между собойкварки, входящие в состав протонов, нейтронов, мезонов и других частиц группыадронов. Самое мощное из всех взаимодействий (сильнее электромагнитного примерно в 100 раз). Источником, согласно квантовой хромодинамике, являются специфические «цветовые заряды» глюонов и кварков.

Слабое взаимодействиепроявляется главным образом в процессахбета-распаданестабильных атомных ядер многихизотопови субатомных частиц (свободных нейтронов, мезонов и др.). Переносчики –вионытрех типов (W⁺,W^-иZ⁰– частицы) с массой примерно в 100 раз больше массы протона, из-за чего слабое взаимодействие действует на расстояниях не более 10^-18м. Благодаря этому взаимодействию возможнытермоядерные реакциии образование атомных ядер в недрах звезд (звездный нуклеосинтез).

Основные характеристики фундаментальных взаимодействий представлены в таблице:

Вид взаимодействия	Относительная энергия взаимодействия	Радиус действия	Переносчики взаимодействия
Сильное	1	10^-15м	Глюоны
Электромагнитное	10^-2		Фотоны
Слабое	10^-5	10^-18м	Вионы
Гравитационное	10^-39		Гравитоны

Одна из важнейших задач современной физики – создание единой теории всех фундаментальных взаимодействий. Предполагается, что в самые первые мгновения после рождения нашей Вселенной (в планковские времена) все взаимодействия объединялись в одну «суперсилу», которая затем разделилась на четыре взаимодействия в результате расширения Метагалактики и охлаждения образовавшегося вещества.

***