Лекция 1. Естественно-научная и гуманитарная формы культуры. Научный метод

Естественно-научная и гуманитарная формы культуры. Под культурой в самом широком смысле принято понимать все то, что создано человечеством в ходе его исторического развития.

Иначе говоря, культура – это совокупность созданных человечеством материальных (материальная культура) и духовных (духовная культура) ценностей, а также способность человека производить и использовать данные ценности. Культура воплощает целостную систему представлений о мире, которая характеризует уровень развития, как всего общества, так и отдельной личности.

Понятие культуры в наше время недопустимо ассоциировать только с гуманитарным знанием, включающим философию, психологию, теорию литературы, музыки, изобразительного искусства и их отдельные феномены в виде тех или иных произведений. Культура определяет духовный мир человека, а он формируется также под воздействием осмысления Природы, поэтому естественнонаучное знание – это также часть общечеловеческой культуры.

Классическая и неклассическая стратегии естественнонаучного мышления развивались на основе наблюдений за природой и оформились благодаря естествознанию, так что можно уверенно утверждать, что оно обогатило сокровищницу мировой культуры бесценным вкладом – даром понимать природу и одновременно осознавать зависимость характера получаемого знания от своей мысленной позиции. В определенном смысле человек понял, что природа открывается ему настолько, насколько он внутренне настроен что-либо узнать о ней. Где, как не в этом, можно увидеть ярчайшее проявление единства человека и природы, гуманитарного и естественнонаучного начал культуры.

Очевидно, что человек может существовать только при соблюдении определенных условий бытия. Прежде всего, должны быть удовлетворены его потребности в пище, одежде, жилище, тепле, т.е. его материальные (биологические) потребности.

Человек – существо разумное и биосоциальное, помимо материальных, имеются еще и духовные потребности. К понятию «духовное» обычно относят сознание, мышление, психологию, волю, характер, ощущения, естественную потребность человека в познании окружающего мира (природы и общества). Духовные потребности человека – это потребности в развитии его знаний, чувств и ощущений с целью более полного и всестороннего ощущения красоты мира, развития воли, характера и т.д. Все это создает духовный мир человека, его духовную культуру. Развитие и совершенствование духовного мира является, в конечном счете, одним из важнейших элементов смысла существования человека на Земле.

Для удовлетворения духовных потребностей люди создали науку, искусство, философию, литературу, мораль, религию и т.д. Материальные носители духовного – язык, книги, художественно-изобразительные средства. Осваивая эти ценности, человек постепенно развивает свой внутренний духовный мир: знания, интересы, ценности, т.е. все элементы духовной культуры. В конечном счете духовная культура делает человека Человеком.

Важнейшей частью духовной культуры, наряду с искусством, правосознанием, религией и т.д., является наука.

Наука – это особая сфера деятельности человека, направленная как на получение новых знаний, так и на разработку новых методов их получения.

Современная наука – сложная и многообразная система отдельных дисциплин. Науковеды насчитывают их несколько сотен.

К настоящему времени сложилась традиция разделения всех дисциплин на две группы: естественно-научные и социогуманитарные знания. в связи, с чем выделяют два типа наук: естественные и гуманитарные, которые различаются объектами исследования: первые изучают природу, а вторые – человека и общество, характеризуются присущими только им особенностями познавательной деятельности. Они различаются также средствами и методами, формами результатов познания, стилем мышления и методологическими установками.

Совокупность систем ценностей, идеалов, стилей мышления, методологических установок, присущих отдельным дисциплинам и их комплексам, называют научной культурой.

Различают формы культуры естественно-научного и гуманитарного познания. Так возникло и получило широкое распространение представление о «двух формах культуры» в науке − естественно-научной и гуманитарной.

Естественно-научная форма культуры – система знаний о природе.

Гуманитарная форма культура – система знаний о позитивно значимых ценностях бытия человека, социальных слоев, человечества.

В XX в. произошел заметный и все более увеличавающийся разрыв между естественно-научной и гуманитарной культурами. Это связано с тем, что XX в. отмечен грандиозными успехами естествознания и последовавшей за этим научно-технической революцией. Достижения естественно-научной культуры существенно изменили стиль и образ жизни человека. Специфика естественно-научной формы культуры заключается в том, что знание о природе отчуждено от исследователя. Последний находится как бы за пределами сферы знания, сторонним наблюдателем. Поэтому естественнонаучное знание может постоянно совершенствоваться. Мультидисциплинарные идеи обретали плоть по мере умножения конкретных знаний.

Гуманитарная форма культуры ориентирована на общечеловеческие ценности, такие, как гуманизм, демократия, мораль, права человека и т. п. Но исследователь этой культуры находится внутри рассматриваемых проблем. Поэтому и методы исследования, используемые в области гуманитарного знания, разительно отличаются от естественно-научных и сводятся преимущественно к интерпретациям, толкованиям, сравнениям.

Постепенно между двумя формами культур образовалась научная пропасть, которая постепенно расширялась, и ученые естественных и гуманитарных наук, стали все меньше понимать друг друга. Возникла опасная тенденция раскола научной интеллектуальной элиты современного общества. К счастью, в последние десятилетия процесс конфронтации двух типов наук стал сменяться их сближением, а в ряде случаев и процессами интеграции.

Сама дифференциация наук по предметам изучения возникла сравнительно недавно. В древности существовала единая наука о природе. Она называлась натурфилософия. На природу смотрели как на единую сущность, и поэтому это была одна наука.

С течением времени в связи с расширением практических потребностей человека появились спектр отдельных наук о природе. При изучении пограничных явлений возникли методы смежных наук, в которых появилась новая тенденция, заключающаяся в интеграции научного знания, ибо много наук порождало больше незнания, специфичность отдельных наук и их языка. Создаются физическая, химическая, биологическая и др. картины мира, каждые из которых имеют свои границы. Вот и пришли к парадоксальной ситуации изучения единой природы по частям, которые отнюдь не способны естественным образом к взаимному проникновению и взаимопониманию. Это случилось по причине ухода от единого предмета и объекта, как бы его не называли.

Необходимо отдавать себе отчет в том, что современное естествознание как мультидисциплинарная наука вовсе не сводится к совокупности знаний, полученных в частных науках. Оно использует эти знания, но особым образом. Здесь подразумевается более высокий уровень интеграции, усиления, взаимопроникновения, чем при традиционном междисциплинарном синтезе, а именно мультидисциплинарный синтез, порождающий взаимопроникновение наук, взаимоусиление итогового познавательного результата. Дело в том, что современное естествознание – это мультидисциплинарная научная область знания, предназначенная для формирования умений и обладаний человека, являющегося часть естественной и искусственной природы. Этим обозначается его направленность на поиск единых, универсальных закономерностей природы, воплощенных в объединяющих идеях и представлениях, признаваемых во всех естественных науках. Поэтому для становления современного естествознания необходим очень высокий уровень развития частных наук. Сейчас еще нельзя сказать, что он достигнут, поэтому современное естествознание находится в стадии формирования своих фундаментальных парадигм (систем основополагающих представлений), объединяющей идеей, например, служит синергетическая парадигма фундаментальности.

Другая важнейшая особенность современного естествознания связана с тем, что осмысление накопленного знания невозможно без исследования процедур его получения, т.е. знания истории науки и техники. Они принципиально влияют на результаты, формируя ту или иную стратегию научного мышления. Однако сейчас отметим, что на этом уровне современное (со-временное) естествознание интегрирует не только совокупные знания о природе, но и возвращает исследователя в новый диалог с природой на фундаментальном уровне без отторжения. Человек не противопоставляется миру природы, а рассматривается как его органическая часть.

В XX в. на основе неклассической стратегии естественнонаучного мышления зародилась новая неклассическая научная ментальность, главный смысл которой – отражение мира не в виде аддитивного множества объектов, явлений и типов, форм культур, а в виде сложной нелинейной, (мультидисциплинарной) системы взаимодействия частей и целого. Благодаря ей мир в нашем сознании обретает целостность, т. е. становится принципиально не делимым на отдельные фрагменты. Он наполняется внутренней гармонией вопреки внешне разрозненным и неоднозначным проявлениям. За многогранностью и многообразием объектов и процессов нашему пониманию открывается сложность открытого нелинейного мира.

В понимании всего сказанного выше заключается инновационная культура как специфика мышления современного образованного человека. Благодаря системе образования эти качества личности, способной к инновацилнной деятельности, должны формироваться и воспроизводиться в последующих поколениях. Тем более огорчительно, что современная система образования фактически не выполняет этой миссии, т.е. не формирует инновационной и интеллектуальной культуры в процессе обучения, воспитания и развития. Даже в наметившемся «болонском процессе» в двухступенчатом образовании бакалавр-магистр образуются лестница компетенций: знать, уметь, владеть, быть, как бы перевернув познание с ног на голову и отделив его, т.е. субъекта познания (человека) от объекта (природы). По алгоритму И. Пригожина новый диалог человека и природы должен происходить «от бытия к становлению, от существующего к возникающему», то есть целью постижения должно быть не владение, а обладание, присущее познающему субъекту на всех стадиях, поскольку «знание действительно становится силой, когда через владение приводит к самообладанию». Таким образом, лестница компетенций должна быть такой: быть, знать, уметь, обладать. Студенты университетов оказываются обладателями преимущественно классического, а не синергетического стиля мышления. Резонно все же поставить вопрос: а так ли уж это опасно?

Нам думается, что опасно по следующим причинам. Во-первых, такая личность духовно обделена – она имеет представление лишь о части мира. Во-вторых, доминирование классического подхода в преподавании настраивает на восприятие природных и социальных процессов как некоего нарушения здравого смысла, требующего для своего объяснения специфических теорий. что чревато профессиональной несостоятельностью. В-третьих, встречаясь с неожиданными для классического мировоззрения фактами, человек испытывает эмоциональный и интеллектуальный стресс вместо того, чтобы воспринять их как проявление неклассичности, нелинейности окружающего мира.

Человеческое общество вступило в век господства принципиально новых, высоких технологий в различных сферах деятельности. И совершенно естественно, что новому, более высокому уровню цивилизации должна соответствовать новая, более высокая ступень развития человека и человеческого общества в целом в их взаимодействии с природой. Возникает задача целостного, гармонического развития духовных и материальных сил человека. А путь к ее решению – в единении и интеграции естественных и гуманитарных знаний, путь к единой (инновационной) культуре.

Научный метод. Исследование феномена история науки непременно приводит к конкретным личностям – ученым, сделавшими открытия, изобретения, являющиеся «посредниками» в инновационной среде развития цивилизации. Современное естествознание немыслимо без истории науки и техники, однако преподавание дисциплины «Концепции современное естествознание» может стать неэффективным, если будет превышена мера соотношение содержания истории науки и техники и самого предмета современного естествознания. По истории науки и техники последнее время написано много хороших пособий, и они имеют самостоятельный интерес.

С течением времени искусство сбора научной информации и выработки на ее основе определенных представлений подразделилось на ряд последовательных этапов. Появились научные методы, объединение которых в определенную систему привело к созданию методологии проведения научных исследований. Научный метод начинается с наблюдения объектов и событий и ведет к построению научных теорий и их проверке.

Научный метод – это совокупность приемов или операций практической или теоретической деятельности.

Методология – это учение о принципах построения, формах и способах научного познания.

Метод – есть совокупность приемов и операций практического и теоретического познания действительности. Каждый акт познавательного процесса включает в себя в той или иной степени как наглядно-чувственные, эмпирические, так и абстрактные, теоретические элементы. Каждый акт живого созерцания пронизан мыслью, опосредован понятиями, категориями.

Исторически путь естественнонаучного познания окружающего мира начинался с живого созерцания – чувственного восприятия фактов на основе практики. От живого созерцания человек переходит к абстрактному мышлению, а от него – снова к практике, в которой он реализует свои мысли, выверяет их истинность. Идеи служат направляющей силой, но для своего воплощения они должны постоянно подтверждаться путем эмпирического познания. Эмпирическое и теоретическое познание – это единый процесс, характерный для любого естественнонаучного исследования на любой его стадии. На эмпирическом и теоретическом уровнях используется понятийный аппарат мышления – понятия, суждения, умозаключения.

Эмпирический уровень познания. Эмпирическое познание имеет дело с фактами и их описанием. Вся научная информация основана на наблюдениях и подвергается объективной проверке. Непосредственные наблюдения ограничиваются только ощущениями, полученными от пяти органов чувств (зрение, слух, обоняние, осязание, вкус). Ощущение – это простейшие чувственные образы, отражения, «копии» предметов. Целостный образ, отражающий непосредственно воздействующие на органы чувств предметы, их свойства и отношения, называется восприятием. Опыт восприятия каждого из органов чувств опосредует восприятие, осуществляемое с помощью других органов чувств. Способность мозга запечатлевать, сохранять воздействие или сигналы вешней среды и в нужный момент воспроизводить их называется памятью. Память играет очень важную познавательную роль в жизни человека. В результате восприятия внешних воздействий и сохранения их во времени памятью возникают представления.

Представления – это образы тех объектов, которые когда-то воздействовали на органы чувств человека, а потом восстанавливаются по сохранившимся в мозгу следам и при отсутствии этих объектов. Представление – промежуточная ступень при переходе от ощущения к мысли.

Научный факт. Эмпирическое познание поставляет науке факты, фиксируя при этом устойчивые связи, закономерности окружающего нас мира. Без теоретического осмысления невозможно целостное восприятие действительности, в рамках которого факты укладывались бы в единую систему.

Наблюдение – преднамеренное, планомерное восприятие, осуществляемое с целью выявить существенные свойства объекта познания. Наблюдение относится к активной форме деятельности, направленной на определенные объекты и предполагающей формулировку целей и задач.

Эксперимент – метод, или прием, исследования, с помощью которого объект или воспроизводится искусственно, или ставится в заранее определенные условия. Метод изменения условий, в которых находится исследуемый объект, – это основной метод эксперимента.

Мышление – высшая ступень познания. Мышление – целенаправленное, опосредованное и обобщенное отражение в мозгу человека существенных свойств, причинных отношений и закономерных связей вещей. Основными формами мышления являются понятия, суждения и умозаключения.

Понятие – это мысль, в которой отражаются общие и существенные свойства объектов и явлений. Понятия не только отражают общее, но и группируют, классифицируют объекты в соответствии с их различиями. Мыслить – значить судить о чем-либо, выявлять определенные связи и отношения между различными сторонами объекта или между объектами.

Суждение – форма мысли, в которой посредством связи понятий утверждается (или отрицается) что-либо о чем-либо. К тому или иному суждению человек может прийти путем непосредственного наблюдения какого-либо факта или опосредованным путем – с помощью умозаключения.

Умозаключение представляет собой рассуждение, в ходе которого из одного или нескольких суждений, называемых предпосылками или посылками, выводится новое суждение (заключение или следствие), логически непосредственно вытекающее из посылок.

Главная задача теоретического мышления – привести полученные данные в стройную систему и создать из них научную картину мира, лишенную логического противоречия. Важной формой теоретического мышления является гипотеза (предположение) – вид умозаключения о сущности еще недостаточно изученной области действительности, требует проверки и доказательства, после чего она приобретает характер теории – системы обобщенного знания, объясняющей те или иные стороны действительности.

Теоретический уровень познания. При построении теории, используются более высокие уровни познания, так называемые методы теоретического познания: формализация, абстрагирование, индукция и дедукция, анализ и синтез, моделирование.

Одна из важных задач естественно-научного познания – обобщение всего известного об окружающем мире. Эксперимент и наблюдение дают огромное многообразие данных, порой не согласованных между собой и даже противоречивых.

Описание, объяснение и предвидение. Эмпирическое познание имеет дело с фактами и их описанием. При теоретическом анализе эмпирического материала логической обработке подвергается вся совокупность эмпирических данных, полученных различными путями. В процессе теоретического мышления познание идет от фактов и их описания к интерпретации, объяснению их. Первым и необходимым условием объяснения фактов является их понимание, т.е. осмысление фактов в системе понятий данной науки. Понять явление означает – выяснить те особенности, благодаря которым оно играет определенную роль в составе целого, раскрыть суть, способ его возникновения.

В современном понимании методология – учение о структуре, логической организации, методах и средствах деятельности. В частности, методология естествознания – это учение о принципах построения, формах и способах естественнонаучного познания.

Сравнение есть установление сходства и различия объектов.

Анализ представляет собой мысленное или реальное разложение объекта на составляющие его части. Когда путем анализа частности достаточно изучены, наступает следующая стадия познания – синтез – объединение в единое целое расчлененных анализом элементов. Анализ фиксирует в основном то специфическое, что отличает части друг от друга. Синтез вскрывает то общее, что связывает части в единое целое. Анализ и синтез – основные приемы мышления.

Абстрагирование – мысленное выделение какого-либо предмета, в отвлечении от его связей с другими предметами, какого-либо свойства предмета в отвлечении от других его свойств, какого-либо отношения предметов в отвлечении от самих предметов. Абстрагирование составляет необходимое условие возникновения и развития любой науки и человеческого познания вообще. Абстрагирование – это движение мысли вглубь предмета, выделение его существенных элементов.

Идеализация как специфический вид абстрагирования – это мыслительное образование абстрактных объ­ектов, не существующих и не осуществимых в действительности, но для которых имеются прообразы в реальном мире. Идеализация – это процесс образования понятий, реальные прототипы которых могут быть указаны лишь с той или иной степенью приближения.

Аналогией называется вероятное, правдоподобное заключение о сходстве двух предметов в каком-либо признаке на основании установленного их сходства в других признаках. Аналогии дают лишь вероятные заключения, они играют огромную роль в познании, так как ведут к образованию гипотез – научных догадок и предположений, которые в ходе последующего этапа исследований и доказательств могут превратиться в научные теории. Аналогия как метод чаще всего применяется в теории подобия, на которой основано моделирование.

В современной науке и технике все большее распространение получает метод моделирования, сущность которого заключается в воспроизведении свойств объекта познания на специально устроенном его аналоге – модели. Принцип моделирования составляет основу кибернетики.

В качестве метода естественнонаучного исследования индукцию можно определить как процесс выведения общего положения из наблюдения ряда частных единичных фактов.

Дедукция – это процесс аналитического рассуждения от общего к частному или менее общему. Началом (посылками) дедукции являются аксиомы, постулаты или просто гипотезы, имеющие характер общих утверждений, а концом – следствия из посылок, теорем. Если посылки дедукции истинны, то истинны и ее следствия. Дедукция – основное средство доказательства, проводящегося по строгим правилам, не может приводить к заблуждениям.

Открытие – установление новых, ранее неизвестных закономерностей, свойств и явлений материального мира, вносящих коренные изменения в уровень познания.

Одна из характерных особенностей творческой работы состоит в разрешении противоречий. Любое научное открытие или изобретение представляет собой создание нового, неизбежно связанного с отрицанием старого. В этом заключается диалектика развития мысли. Творческий процесс выстраивается в логическую цепь операций: постановка задачи, предвидение идеального конечного результата, отыскание противоречия, мешающего достижению цели, открытие причины противоречия и, наконец, разрешение противоречия.

В процессе научного исследования большую роль играет интуиция – способность постижения истины путем прямого ее усмотрения без обоснования с помощью доказательства в моменты приливов вдохновения. Понятие интуиции сближает научное творчество с художественным.

Характерная черта научного мышления – доказательность. Во всяком доказательстве имеются: тезис, основания доказательства (аргументы) и способ доказательства. Тезисом называется положение, истинность или ложность которого выясняется посредством доказательства. Доказательство, посредством которого выясняется ложность, называется опровержением.

Все положения, на которые опирается доказательство и из которых необходимо следует истинность доказываемого тезиса, называются основаниями или аргументами. Основания состоят из положений о достоверных фактах, определений, аксиом и ранее доказанных положений.

Аксиомы – положения, не доказываемые в данной науке и играющие в ней роль допускаемых оснований доказываемых истин.

Связь оснований и выводов из них, имеющая результатом необходимое признание истинности доказываемого тезиса, называется способом доказательства. Доказательство одного и того же положения науки может быть различным. Связь оснований, ведущая к истинности доказательного тезиса, не единственная.

Между явлениями природы существуют устойчивые, повторяющиеся связи – проявления законов природы.

В системе научного знания большое значение имеют теории. Теории дают представление о закономерностях и существующих связях в определенной области.

Теория – это обобщение, логически объясняющее определенный набор фактов, сама по себе – не факт, так как недоступна для непосредственного наблюдения. Тем не менее, ее можно проверить и в зависимости от результатов признать или отклонить. Главное отличие теории от гипотезы – ее достоверность, доказанность. Квинтэссенцией теории являются законы, устанавливающие количественные связи и соотношения между различными наблюдаемыми в опыте величинами.

Законы природы неизменны и всегда выполняются, им следуют. Научные законы – это попытка описать законы природы на языке математических формул или других точных формулировок.

Для понимания теории как формы знания важно учитывать, что все теории оперируют не реальными объектами, а их идеальными моделями, которые неизбежно абстрагируются от каких-то реальных сторон объектов и поэтому всегда дают неполную картину действительности.

Главные элементы теории – ее принципы и законы. Принципы – наиболее общие и важные фундаментальные положения теории. Как обобщающий результат предыдущего познания в данной теории, принципы всесторонне раскрываются и обосновываются. При построении теории принципы играют роль исходных, основных и первичных посылок, закладываемых в фундамент теории. Законы конкретизируют принципы, раскрывают взаимосвязь вытекающих из них следствий. Раскрывая сущность объектов, теория выполняет две важнейшие функции: объяснения и предсказания, научного предвидения, является одной из наиболее устойчивых форм научного знания. Чем более общим является знание, тем оно устойчивее.

Переход к новому принципу – по существу, переход к новой теории. При этом новая теория должна обязательно удовлетворять принципу соответствия, сформулированному Н. Бором. Согласно этому принципу каждая правильная новая, более общая теория должна не отвергать устоявшуюся, предшествующую ей менее общую теорию, а сводиться к ней в тех условиях, при которых она была получена. Так, например, более общая специальная теория относительности не отвергает классическую механику, а сводится к ней при скоростях, много меньших скорости света.

Изменения в наиболее общих теориях приводят к качественным изменениям всей системы теоретического знания, в результате чего происходит научная революция. Известные научные революции связаны с именами Н. Коперника, И. Ньютона, А. Эйнштейна, И. Пригожина.

Взаимодействие, близкодействие, дальнодействие. Дальнодействие. После открытия закона всемирного тяготения И. Ньютоном, а затем закона Кулона, описывающего взаимодействие электрических заряженных тел, возник вопрос, почему физические тела, обладающие массой, действуют друг на друга на больших расстояниях через пустое пространство и почему заряженные тела взаимодействуют между собой даже через электрически нейтральную среду?

До введения понятия «поле» на этот вопрос не было удовлетворительного ответа. Долгое время считалось, что взаимодействие между телами может непосредственно осуществляться через пустое пространство, которое не принимает участия в передаче взаимодействий, а передача взаимодействия от тела к телу передается мгновенно, т.е. с бесконечной скоростью. Такое предположение составляет сущность концепции дальнодействия, которую обосновал Р. Декарт.

Близкодействие. Законы взаимодействия электрически заряженных тел допускали возможность их относительно простой проверки. Установлено, что взаимодействие электрических зарядов происходит не мгновенно. Каждая электрически заряженная частица создает электрическое поле, действующее на другие частицы не в тот же момент, а спустя некоторое время. Иными словами, взаимодействие передается через посредника – электромагнитное поле, а скорость распространения электромагнитного поля равна скорости света. Это составляет суть концепции близкодействия.

Фундаментальные типы взаимодействий. В настоящее время известно четыре типа фундаментальных взаимодействий: гравитационное, электромагнитное, слабое и сильное.

Слабое взаимодействие отвечает за внутриядерное взаимодействие, приводящее, например, к распаду нейтрона с испусканием электронов (β -излучение), сильное взаимодействие – за внутринуклонные взаимодействия, оно удерживает кварки внутри нуклонов.

Действие взаимодействий в пространстве различно. Гравитационные и электромагнитные взаимодействия описываются законами «обратных квадратов расстояний» и проявляются во всем пространстве до бесконечности. Сильные взаимодействия проявляются только в пределах размера ядра ~10^–13 см, а слабые взаимодействия — на расстояниях значительно меньших размеров ядер.

Относительная сила взаимодействий различна. Если сильное взаимодействие условно принять за единицу, то электромагнитное взаимодействие будет в 10² раз меньше, слабое – в 10¹⁰, а гравитационное – в 10³⁸ раз меньше сильного взаимодействия.

Каждое взаимодействие может оказывать решающее влияние на процессы в том или ином конкретном случае. Даже такое взаимодействие, как гравитационное, несмотря на свою кажущуюся малость играет, доминирующую роль в процессах космического порядка, где присутствуют объекты с огромной массой и большие пространственные масштабы явлений.

Лекции 2,3. ФИЗИЧЕСКИЕ КОНЦЕПЦИИ ОПИСАНИЯ ПРИРОДЫ

Корпускулярная и континуальная концепции описания природы. Период становления естествознания относится к VII–IV вв. до н.э. и связан с греческой натурфилософией, в нем вырабатываются общие точки зрения на окружающий мир, ставятся вопросы о природе материи и духа, законах развития материального мира, о природе пространства и времени, движения и света. Возникают такие натурфилософские концепции, как атомистика Левкиппа–Демокрита и натурфилософия Аристотеля, они по сути, обобщили античную натурфилософию и сформулировали две принципиально различные концепции взглядов на строение материи и развитие материального мира: так называемые корпускулярную (Демокрит) и континуальную (Аристотель) концепции описания природы.

По Демокриту, материя состоит из вещества; вещество состоит из атомов-корпускул и пустоты; атомы находятся в постоянном движении; атомы вечны, неизменны, неделимы и отличаются друг от друга лишь величиной и формой.

По Аристотелю, мир материален, но объективно существуют конкретные вещи (предметы), а материя – некая субстанция, из которой при определенных условиях могут возникнуть те или иные предметы. Реальные тела можно дробить непрерывно, до бесконечности. Синонимом непрерывности является континуальность. По Аристотелю, материя непрерывна (континуальна) и «природа не терпит пустоты».

Две выдвинутые концепции на природу материи, по существу, определили всю дальнейшую историю развития естествознания более чем на двухтысячелетний период, вплоть до XX в.

Корпускулярно-волновой дуализм. Аристотель считал, что свет – это движение волн, распространяющихся в некоторой непрерывной среде – эфире. И. Ньютон считал, что свет представляет собой поток частиц-корпускул, движущихся прямолинейно. Такая точка зрения, в частности, хорошо объясняла законы геометрической оптики. Однако при изучении других оптических явлений как интерференция, дифракция, поляризация, дисперсия света, которые, напротив, легко было объяснить, исходя из того, что свет – волновое движение через некоторое необычное вещество – «эфир».

Во второй половине XIX в. точку в вопросе о природе света поставил Дж. Максвелл, который, создав теорию электромагнетизма, доказал, что свет представляет собой электромагнитное поле, распространяющееся в виде волн. То есть была открыта новая материальная субстанция – поле, свойства и законы движения которой в соответствии с развитой Дж. Максвеллом электродинамикой соответствовали в большей мере континуальной, непрерывной концепции Аристотеля.

Таким образом, к концу XIX в. что материя предстается в виде двух форм – вещественной и полевой с существенно разными свойствами, вещественная находит объяснение в корпускулярной, а полевая – в континуальной концепции.

Начало XX в. ознаменовалось открытиями в изучении вещества и поля, полностью изменившими представления о природе материи. Для объяснения излучения абсолютно черного тела М. Планку в 1900 г. и фотоэффекта Л. Эйнштейну в 1905 г. пришлось принять, что свет в ряде случаев ведет себя как поток отдельных частиц – фотонов (корпускул), а не как волна. При рассмотрении электромагнитного поля возникло представление о корпускулярно-волновом дуализме. Причем при больших длинах волн электромагнитного излучения в большей мере проявляются непрерывные (континуальные) волновые свойства света, а при малых (рентгеновские и γ –лучи) – дискретные (корпускулярные), квантовые свойства. Физика начала XX в. открыла диалектическое единство двух противоположностей – частиц и волн.

Луи де Бройль, опираясь на законы симметрии в природе в 1923 г. выдвинул идею распространения принципа корпускулярно-волнового дуализма света на все вещественные частицы микромира, имеющие массу покоя, – электроны, протоны и т.д., предположил, что любые частицы вещественной материи наряду с корпускулярными (массой, импульсом, энергией) обладают также волновыми свойствами (частотой ω и длиной волны λ). Причем так же, как и для фотонов, энергия (Е) и импульс (р) частиц вычисляются по формулам: Е = hω , p = h / λ .

Откуда для так называемой длины волны де Бройля было получено выражение λ = h/p. Вскоре гипотеза де Бройля нашла экспериментальное подтверждение, когда К. Дэвиссон и Л. Джермер открыли дифракцию электронов на кристаллах, т.е. доказали существование волновых свойств у частиц – электронов. Оказалось, что наличие волновых свойств у микрочастиц-корпускул – это универсальное явление, общее свойство материи.

Наконец, созданные в 20-е гг. XX в. новые фундаментальные квантовые теории микромира–квантовая механика и квантовая теория поля (квантовая электродинамика) – показали, что корпускулярно-волновой дуализм в микромире отражает глубинную взаимосвязь материальных субстанций − вещества и полей и, в конечном счете, свидетельствует о единстве материи, проявляясь во взаимодействии частиц и полей таким образом, что кванты полей при взаимодействии с веществом могут исчезать, образуя пары вещественных частиц (электрон–позитрон, протон–антипротон), точно так же, как и вещественные частицы, в результате аннигиляции могут превращаться в кванты полей.

Микрочастицами называют элементарные частицы (электроны, протоны, нейтроны, фотоны и др.), а также сложные частицы, образованные из сравнительно небольшого числа элементарных частиц (ядра, атомы).

Э Шредингер в 1926 г. получил свое знаменитое уравнение, сопоставил движению микрочастицы комплексную функцию координат и времени, которую он назвал волновой функцией и обозначил греческой буквой «пси» (ψ). Согласно М. Борну, квадрат модуля пси-функции в пределах некоторого объема определяет вероятность того, что частица будет обнаружена в пределах этого объема. Вид функции получается из решения уравнения Шредингера, которое является основным уравнением нерелятивистской квантовой механики. Уравнение Шредингера описывает взаимодействие электронов с ядрами атомов, описывает форму электронных оболочек атомов и ионов, химическую связь и строение молекул.

Волновая природа частиц отражается и в соотношениях неопределенностей, полученных в 1927 г. Гейзенбергом – ∆х∆р ≥ h/2, ∆E∆t ≥ h/2, где ∆х – неопределенность координат, ∆р – неопределенность импульса, ∆Е – неопределенность энергии и ∆t – неопределенность времени.

Порядок и беспорядок в природе, детерминированный хаос.

Можно привести пример перехода от порядка, упорядоченности к хаосу, если нагревать кристаллы поваренной соли, то амплитуда колебаний атомов увеличивается, связь между атомами уменьшается, упорядоченная структура кристалла разрушается и исчезает, а атомы начинают хаотически двигаться. Приведенный пример иллюстрирует процессы, связанные с действием одного из фундаментальных законов природы, имеющего универсальный характер, а именно: со вторым началом (законом) термодинамики.

Суть этого закона заключается в том, что во всех тепловых процессах, связанных с выделением тепла в результате трения, прохождения электрического тока и, как следствие, с выделением тепла при горении, экзотермических химических реакциях и т.д., тепло в естественных условиях всегда переходит от более горячего тела к более холодному, но не наоборот.

Имеется несколько формулировок данного закона. Одна из формулировок, принадлежащая создателю классической термодинамики Э. Клаузиусу, гласит: невозможен процесс, при котором теплота переходила бы самопроизвольно от тел более холодных к телам более теплым.

Другая формулировка связана с понятием энтропии – одной из термодинамических функций, определяющих направление протекания тепловых процессов. В процессах теплопередачи изменение энтропии (ΔS) определяется как ΔS = ΔQ / T , где ΔQ – количество переданного тепла, а Т – абсолютная температура.

Поскольку тепло всегда передается от теплого тела к холодному, то изменение количества тепла ΔQ – величина положительная, а следовательно, и изменение энтропии ΔS есть величина положительная, т.е. энтропия в таких процессах возрастает.

Этот закон носит всеобщий характер и формулируется следующим образом: в замкнутых системах (без притока энергии извне) процессы протекают таким образом, что энтропия системы возрастает.

Таким образом, второе начало термодинамики устанавливает наличие в природе фундаментальной асимметрии, т.е. однонаправленности всех самопроизвольно протекающих процессов.

И хотя количество энергии в замкнутых системах сохраняется, распределение энергии меняется необратимым образом – происходит деградация форм энергии с постепенным переходом всех форм энергии в тепловую. Иными словами, в замкнутых системах самопроизвольно осуществляется необратимый процесс перехода от более упорядоченных структур к менее упорядоченным, или к хаосу.

А поскольку в таких процессах энтропия систем возрастает, то ее принято характеризовать как меру хаоса. Таким образом, из второго закона термодинамики вытекает, что в природе самопроизвольно возможно только одно направление процессов – от порядка к беспорядку, хаосу.

Однако такой вывод противоречит многим фактам. Известны процессы развития от неупорядоченности, хаоса к порядку, перехода от структур, имеющих более низкую организацию, к структурам с более высокой организацией. Примером может служить эволюционное развитие живых организмов от примитивных форм к высокоорганизованным. Долгое время противоречие между вторым законом термодинамики и эволюционной теорией поступательного развития живой природы Дарвина не находило разрешения. Однако сейчас объяснение такому противоречию найдено.

Дело в том, что второй закон термодинамики рассматривает процессы только в замкнутых системах, в то время как живые системы являются открытыми, т.е. обмениваются энергией и веществом с внешней средой. В открытых системах энтропия может, как возрастать, так и уменьшаться, тогда как в целом для открытых систем в совокупности с внешней средой обитания второй закон термодинамики справедлив. Таким образом, в открытой системе энтропия может уменьшаться за счет увеличения энтропии во внешней среде.

В результате при определенных неравновесных условиях в системе за счет внутренних перестроек могут возникнуть упорядоченные структуры. Эту особенность системы называют самоорганизацией, а сами структуры, возникающие в диссипативных (рассеивающих энергию) системах при неравновесных необратимых процессах, – диссипативными (по терминологии И. Пригожина). Под действием флуктуации возникают коллективные формы движения и новые структуры более высокой организации.

Структурные уровни организации материи. В настоящее время принято единую Природу для удобства делить на три структурных уровня – микро-, макро- и мегамир. Естественными, хотя отчасти и субъективными, признаками деления явля­ются размеры и массы исследуемых объектов.

Микромир – мир предельно малых, непосредственно не наблюдаемых микросистем с характерным размером от 10^–8 см и менее (атомы, атомные ядра, элементарные частицы).

Макромир – мир макротел, начиная от макромолекул (размеры от 10^–6 см и выше) до объектов, размерность которых соотносима с масштабами непосредственного человеческого опыта – миллиметры, сантиметры, километры, вплоть до размеров Земли (длина экватора Земли равна ~ 10⁹ см).

Мегамир – мир объектов космического масштаба от 10⁹ см до 10²⁸ см. Этот диапазон включает размеры Земли, Солнечной системы, Галактики, Метагалактики.

Хотя микро–, макро– и мегамир тесно взаимосвязаны и составляют единое целое, тем не менее на каждом из этих структурных уровней действуют свои специфические законы: в микромире – законы квантовой физики, в макромире – законы классического естествознания, прежде всего классической физики: механики, термодинамики, электродинамики. Законы мегамира основаны в первую очередь на общей теории относительности.

Микромир. Атомная физика. Научные основы атомно-молекулярного учения были заложены гораздо позднее в работах русского ученого М.В. Ломоносова, французских химиков Л. Лавуазье и Ж. Пруста, английского химика Дж. Дальтона, итальянского физика А. Авогадро и других исследователей.

Периодический закон Д.И. Менделеева показал существование закономерной связи между всеми химическими элементами. Считалось, что при всех химических превращениях разрушаются и создаются только молекулы, атомы же остаются неизменными и не могут дробиться на части. И, наконец, в конце XIX в. были сделаны открытия, показавшие сложность строения атома и возможность превращения одних атомов в другие.

Г.Р. Кирхгоф и Р.В. Бунзен обнаружили, что каждому химическому элементу соответствует характерный, присущий только ему набор спектральных линий в спектрах испускания и поглощения.

Изучение свойств катодных лучей привело к заключению, что они состоят из мельчайших частиц, несущих отрицательный заряд. Эти частицы получили название электронов.

В 1896 г., изучая люминесценцию различных веществ, А.А. Беккерель случайно обнаружил, что соли урана, излучают без предварительного их освещения. Это излучение было названо радиоактивным излучением, позднее было установлено, что оно состоит из тяжелых положительно заряженных α -частиц, легких отрицательных β-частиц (электронов) и электрически нейтрального γ-излучения. Открытие электрона можно считать началом рождения атомной физики, обусловившим попытки построения моделей атома. Первые модели атома на основе представлений классической механики и электродинамики появились в 1904 г.: автором одной из них стал японский физик Хантаро Нагаока, другая принадлежала английскому физику Дж. Томсону – автору открытия электрона.

Дж. Томсон предпринял попытку теоретически объяснить периодическую систему элементов Д. И. Менделеева. Э. Резерфорд в 1912 г. и открыл атомное ядро, масса которого примерно в 8000 раз больше массы электрона, а положительный заряд равен по модулю удвоенному заряду электрона, ядро имеет диаметр порядка 10^–12–10^–13 см, размер атома примерно 10^–8 см, т.е. в 10 – 100 тысяч раз превышает размеры ядра. Если принять заряд электрона за единицу, то заряд ядра оказался в точности равен номеру данного химического элемента в периодической системе элементов Д.И. Менделеева.

Из опытов Резерфорда непосредственно вытекала планетарная модель атома с положительно заряженным атомным ядром. Электроны должны двигаться вокруг ядра под действием электрических кулоновских сил подобно планетам вокруг Солнца. В атоме водорода вокруг ядра обращается всего лишь один электрон. Ядро было названо Резерфордом протоном и стало рассматриваться как элементарная частица. Размер атома определяется радиусом орбиты движения его электронов.

Вскоре выяснилось, что модель атома Резерфорда противоречит законам электродинамики, из которых следует, что движение электронов по круговым орбитам происходит с ускорением, а ускоренно движущийся заряд, согласно законам электродинамики Максвелла, должен излучать электромагнитные волны (ω – частотой, равной частоте его обращения вокруг ядра). Излучение сопровождается потерей энергии. Теряя энергию, электроны должны приближаться к ядру и упасть на него, но этого не происходит, атомы устойчивы, могут существовать неограниченно долго, не излучая электромагнитные волны. Выход нашел датский ученый Н. Бор, сделав вывод о том, что законы классической механики и электродинамики вообще не применимы в микромире и, в частности, в атоме. Чтобы сохранить наглядную планетарную модель атома Резерфорда, он сформулировал два постулата (постулаты Бора), идущие вразрез и с классической механикой, и с классической электродинамикой. Эти постулаты заложили основы принципиально новых теорий микромира – квантовой механики и квантовой электродинамики (квантовой теории электромагнитного поля). Обосновывая свои постулаты, Бор опирался на идею существования квантов электромагнитного поля, выдвинутую в 1900 г. М. Планком и развитую затем А. Эйнштейном (для объяснения фотоэффекта).

Постулаты Бора: электрон может двигаться вокруг ядра не по любым орбитам, а только по та называемым устойчивым, или квантовым, орбитам, на которых атом не излучает электромагнитных волн. Переход электрона с удаленной орбиты на более близкую орбиту сопровождается потерей энергии электрона и излучением атомом кванта.

Простейшим из атомов является атом водорода: вокруг ядра вращается только один электрон. Исходя из постулатов Бор рассчитал радиусы возможных орбит для этого электрона и нашел, что они относятся, как квадраты натуральных чисел: 1:2: 3 : ... : п, где п главное квантовое число. Радиус ближайшей к ядру первой орбиты в атоме водорода равняется 0,53 ангстрема.

Развивая волновые идеи частиц микромира, Э. Шрёдингер создал математическую волновую модель атома в виде знаменитого сейчас волнового дифференциального уравнения Шрёдингера:

Анализ волнового уравнения Шрёдингера показал, что с его помощью можно определить все возможные дискретные энергии Е_п в атоме. Кроме того, было выяснено, что волновая функция не позволяет абсолютно точно определить положение электронов в атомах, можно говорить лишь о вероятности нахождения электронов в том или ином месте атома, которая характеризуется квадратом амплитуды волны.

В настоящее время на основе квантовой механики, а также квантовой электродинамики – квантовой теории электромагнитного поля, разработанной в 1927 г. П.А. Дираком, удалось объяснить многие особенности поведения многоэлектронных атомно-молекулярных систем. В частности, удалось разрешить важнейший вопрос о структуре атомов различных элементов и установить зависимость свойств элементов от строения электронных оболочек им атомов.

Число электронов, вращающихся вокруг ядра атома, соответствует порядковому номеру элемента в периодической системе Д.И. Менделеева. Электроны расположены послойно. Каждому слою принадлежит определенное заполняющее или как бы насыщающее его число электронов. Электроны одного и того же слоя характеризуются близкими значениями энергии, т.е. находятся примерно на одинаковом энергетическом уровне. Вся оболочка атома распадается на несколько энергетических уровней (n). Электроны каждого последующего слоя находятся на более высоком энергетическом уровне, чем электроны предыдущего слоя. Максимальное число электронов (N), могущих находиться на данном энергетическом уровне (n), определяется по формуле N = 2n², т.е. на первом уровне (n=1) может находиться два электрона, на втором (п = 2) – восемь электронов, на третьем (n= 3) – восемнадцать.

Атомы, лишившиеся одного или нескольких электронов, становятся заряженными положительно, атомы, присоединившие электроны, − отрицательно. Такие заряженные частицы называются ионами.

Состояние каждого электрона в атоме характеризуется четырьмя квантовыми числами – n, l, т, s:

1. n – главное квантовое число, характеризует энергию электрона на соответствующей орбите (n);

2. l – орбитальное квантовое число, характеризует форму орбиты (электронного облака) и может изменяться в атоме от 0 до n = 1;

3. т – магнитное квантовое число, характеризует ориентацию орбит (электронных облаков) в пространстве и может принимать значения от +1 до –1;

4. s – спиновое квантовое число, характеризует вращение электрона вокруг собственной оси и может принимать только два значения: s = ±1/2.

Согласно одному из важнейших принципов квантовой механики – принципу Паули, в атоме не может быть электронов, у которых все четыре квантовых числа одинаковы. В рамках квантовой механики получили полное объяснение, как структура атомов, так и изменение свойств химических элементов в периодической системе Д.И. Менделеева.

Свое место в ряду элементарных частиц занял фотон – частица электромагнитного поля, не имеющая массы покоя. Синтез квантовой механики и специальной теории относительности привел к предсказанию существования античастиц. Оказалось, что у каждой частицы должен быть как бы свой «двойник» – другая частица с той же массой, но противоположным электрическим или каким-либо другим зарядом. Английский физик П.А. Дирак – основатель релятивистской к пантовой теории поля – предсказал существование позитрона и возможность превращения фотона в пару электрон-позитрон и обратно. Позитрон – античастица электрона – экспериментально был открыт и 1934 г. К.Д. Андерсоном в космических лучах.

Ядерная физика. По современным представлениям, атомные ядра элементов состоят из протонов и нейтронов. Первые указания на то, что и состав ядер входят протоны (ядра атомов водорода) были получены Резерфордом в 1919 г. в результате его нового (после открытия строения атома) сенсационного открытия – расщепления атомного ядра под действием α-частиц и получения новых химических элементов в результате первой искусственной ядерной реакции.

Схема реакции Резерфорда может быть представлена следующим образом: α–частица попадает в атомное ядро азота N и поглощается им. Образующееся при этом промежуточное ядро изотопа фтора F оказывается неустойчивым: оно выбрасывает из себя один протон, превращаясь в ядро изотопа кислорода О.

В 1932 г. Д.Д. Иваненко опубликовал заметку, в которой высказал предположение, что наряду с протоном структурным элементом ядра также является нейтрон. В 1933 г. он обосновал протон-нейтронную модель ядра и сформулировал основной тезис, заключающийся в том, что в ядре имеются только тяжелые частицы – протоны и нейтроны. При этом обе частицы могут превращаться друг в друга. В дальнейшем протон и нейтрон стали рассматривать как два состояния одной частицы – нуклона.

А в том же 1933 г. Дж. Чедвик экспериментально доказал существование нейтронов в атомных ядрах. Он облучал α–частицами бериллиевую пластинку и исследовал реакцию превращения бериллия (Be) в углерод (С) с испусканием нейтрона n.

Нейтроны, вылетающие из бериллия, направлялись в камеру Вильсона, наполненную азотом (N), и при попадании нейтрона в и протон атома азота образовывалось ядро бора (В) и α–частицы .

Сам нейтрон не дает трека в камере Вильсона, но по трекам ядра бора и α–частицы можно рассчитать, что данная реакция вызвана нейтральной частицей массой в одну атомную единицу массы, т.е. нейтроном. Отметим, что свободный нейтрон существует недолго, он радиоактивен, период его полураспада составляет около 8 мин, после чего он превращается в протон, испуская β–частицу (электрон) и нейтрино. После открытия нейтрона протон-нейтронная модель строения атомных ядер Д.Д. Иваненко стала общепризнанной.

Все ядерные реакции сопровождаются испусканием тех или иных элементарных частиц. Продукты ядерных реакций оказываются радиоактивными, их называют искусственно радиоактивными изотопами. Явление искусственной радиоактивности было открыто в 1934 г. известными французскими физиками Фредериком и Ирен Жолио-Кюри.

Как и естественно радиоактивные вещества, искусственно полученные радиоактивные изотопы испускают известные α, β, и γ–излучения. Но кроме перечисленных излучений Фредерик и Ирен Жолио-Кюри открыли новый вид радиоактивности – испускание положительных электронов-позитронов.

Ниже приведены основные сведения о свойствах и строении ядер.

1. Ядром называется центральная часть атома, в которой сосредоточена практически вся масса атома и его положительный электрический заряд. Все атомные ядра состоят из протонов и нейтронов, которые считаются двумя зарядовыми состояниями одной частицы – нуклона.

Протон имеет положительный электрический заряд, равный по абсолютной величине заряду электрона е=1,6 ^–19 Кл и массу покоя т_р ~ 1,6726 • 10 ^–27кг. Нейтрон не имеет электрического заряда, его масса немного больше массы протона – т_п = 1,6749 • 10 ^–27 кг.

Массу ядер элементарных частиц обычно выражают в атомных единицах массы (а.е.м.). За атомную единицу массы принята 1/12 массы изотопа углерода : 1 а.е.м. = 1,66 • 10 ^–27 кг. Следовательно, т_р = 1,00728 а.е.м., а т_п = 1,00866 а.е.м.

2. Зарядом ядра называется величина Ze, где е – величина заряда протона; Z – порядковый номер химического элемента в периодической системе Менделеева, равный числу протонов в ядре.

В настоящее время известны ядра с порядковым номером Z = 1 до Z = 114. Для легких ядер отношение числа нейтронов (N) к числу протонов (Z) близко или равно единице. Для ядер химических элементов, расположенных в конце периодической системы, отношение N/Z = 1,6.

3. Общее число нуклонов в ядре А = N + Z называется массовым числом. Нуклонам (протону и нейтрону) приписывается массовое число, равное единице. Ядра с одинаковыми Z, но различными А называются изотопами. Ядра, которые при одинаковом А имеют различные Z, называются изобарами. Ядра химических элементов принято обозначать символом .X, А, Z где X – символ химического элемента; А – массовое число; Z – атомный номер.

4. Размер ядра характеризуется радиусом ядра, имеющим условный смысл ввиду размытости границ ядра. Эмпирическая формула для радиуса ядра R = R А, где R= (1,3/1,7)10 ^–15 м, может быть истолкована как пропорциональность объема ядра числу нуклонов в нем.

5. Ядерные частицы имеют собственные магнитные моменты, которыми определяется магнитный момент ядра (Р_тт) в целом. Единицей измерения магнитных моментов ядер служит ядерный магнетон μ _яд = eh/2т_р, где е – абсолютная величина заряда электрона; h – постоянная Планка; т_р – масса протона. Ядерный магнетон μ _яд в 1836,5 раза меньше магнитного момента электрона в атоме, откуда следует, что магнитные свойства атомов определяются магнитными свойствами его электронов.

6. Распределение электрического заряда протонов по ядру в общем случае несимметрично. Мерой отклонения этого распределения сферически симметричного является квадрупольный электрический момент ядра Q.

Нуклоны, составляющие ядро, связаны между собой особыми силами притяжения – ядерными силами. Устойчивость атомных ядер большинства элементов свидетельствует о том, что ядерные силы исключительно велики: они должны превышать значительные кулоновские силы отталкивания, действующие между протонами, расположенными на расстояниях порядка 10^–13 см (порядок размеров ядра). Ядерные силы – силы особого рода, связанные с существованием внутри ядра особого вида материи – ядерного поля.

В настоящие время принята мезонная теория ядерных сил, согласно которой нуклоны взаимодействуют друг с другом путем обмена особыми элементарными частицами – π–мезонами – квантами ядерного поля.

Наличие обменных частиц в ядре – мезонов – вначале было предсказано теоретически японским ученым Хидоки Юкавой в 1936 г., а затем открыто в космических лучах в 1947 г.

Общая характеристика ядерных сил сводится к следующему.

1. Ядерные силы являются короткодействующими силами. Они проявляются лишь на весьма малых расстояниях между нуклонами ядра порядка 10 ^–15 м. Длина (1,5 ÷ 2,2) –10 ^–15 м называется радиусом действия ядерных сил.

2. Ядерные силы обнаруживают зарядовую независимость: притяжение между двумя нуклонами одинаково независимо от зарядового состояния нуклонов – протонного или нуклонного.

3. Ядерные силы обладают свойством насыщения, которое проявляется в том, что нуклон в ядре взаимодействует лишь с ограниченным числом ближайших к нему соседних нуклонов.

Энергия, необходимая для разобщения нуклонов, составляющих ядро, называется энергией связи ядра. Величину энергии связи можно определить на основе закона сохранения энергии и закона пропорциональности массы и энергии в соответствии с формулой Эйнштейна Е = тс².

Согласно закону сохранения энергии, энергия нуклонов, связанных в ядре, должна быть меньше энергии разобщенных нуклонов на величину энергии связи ε₀. С другой стороны, согласно закону пропорциональности массы и энергии, изменение энергии системы ΔW должно сопровождаться пропорциональным изменением массы системы на Δm, т.е. ΔW = Δmc², где с – скорость света в вакууме.

Так как в данном случае ΔW есть энергия связи ядра, то масса атомного ядра должна быть меньше суммы масс нуклонов, составляющих ядро, на величину Δm, которая называется дефектом массы ядра. Из соотношения ΔW = Δmc² можно рассчитать энергию связи ядра, если известен дефект массы этого ядра Δm.

Общая формула для расчета энергии связи любого ядра (в джоулях) будет иметь вид: ΔW = c²{[Z-m_p+{A-Z)m_n]- т_я}, где Z– атомный номер; А — массовое число.

Энергия связи ядра, приходящаяся на один нуклон, называется удельной энергией связи (ε). Следовательно, ε = ΔW / А (удельная энергия связи) характеризует устойчивость атомных ядер. Чем больше s, тем устойчивее ядро. На рис. 1 представлены результаты расчетов удельных энергий связи для разных атомов (в зависимости от массовых чисел А).

Из графика на рис. 1 следует, что удельная энергия связи максимальна (8,65 МэВ) у ядер с массовыми числами порядка 100. У тяжелых и легких ядер она несколько меньше (например, 7,5 МэВ у урана и 7 МэВ у гелия), у атомного ядра водорода H удельная энергия связи равна нулю, что вполне понятно, потому что в этом ядре нечего разобщать: оно состоит только из одного нуклона (протона).

Всякая ядерная реакция сопровождается выделением или поглощением энергии. При делении тяжелых ядер с массовыми числами А порядка 100 (и более) ядерная энергия выделяется.

Рис. 1. Зависимость удельных энергий связи от массовых чисел

Выделение ядерной энергии происходит и при ядерных реакционного типа – при объединении (синтезе) нескольких легких ядер в одно ядро. Таким образом, выделение ядерной энергии происходит как при реакциях деления тяжелых ядер, так и при реакциях синтеза легких ядер. Количество ядерной энергии Δε, выделяемое каждым прореагировавшим ядром, равно разности между энергией связи ε продукта реакции и энергией связи исходного ядерного материала.

Соотношение ∆E∆t > ħ/2 означает, что преобразование энергии с точностью ∆Е должно занять интервал времени равный, по меньшей мере, ∆t~ ħ/∆E. Это соотношение ответственно за есте­ственную ширину спектральных линий атомов и ионов. Время жизни возбужденного состояния атомов имеет порядок t~10^-8÷10^-9с. Следовательно, неопределенность энергии таких состояний составляет ∆E~ ħ/t, чему соответствует естественная ширина спектральных линий. Если неопределенность энергии ∆Е ~ ħ/∆t соответствует энергии некоторой частицы (mс², hv), to эта частица, возникнув из «ничего», может находиться в виртуальном состоянии время ∆t без нарушения закона сохранения энергии. В современной квантовой теории поля взаимодействие частиц и их взаимные превращения рассматриваются как рождение или поглощение каждой реальной частицей виртуальных частиц. Любая частица непрерывно испускает или поглощает виртуальные частицы разных типов. Так, например, электромагнитное взаимодействие – результат обмена виртуальными фотонами, гравитационное – гравитонами. Поле ядерных сил обусловлено виртуальными π–мезонами. Слабое взаимодействие создают векторные бозоны (открытые в 1983 году в ЦЕРНе, Швейцария-Франция). А переносчиком сильного взаимодействия являются глюоны (от английского слова, означающего «клей»).

Получение экспериментальной информации об одних физических величинах, описывающих микрочастицу, неизбежно связано с потерей информации о других величинах, дополнительных к первым. Это утверждение, впервые сформулированное датским физиком Н. Бором, называется принципом дополнительности. Бор объяснял принцип дополнительности влиянием измерительного прибора, который всегда является макроскопическим прибором, на состояние микрообъекта. Однако с позиций современной квантовой теории, состояния, в которых взаимно дополнительные величины имели бы одновременно точно определенные значения, принципиально невозможны. Принцип дополнительности отражает объективные свойства квантовых систем, не связанные с существованием наблюдателя, а роль измерительного прибора заключается в «приготовлении» некоторого состояния системы. Любая новая теория, претендующая на более глубокое описание физической реальности и на более широкую область применения, чем старая, должна включать предыдущую как предельный случай. Так релятивистская механика (специальная теория относительности) в пределе малых скоростей переходит в ньютоновскую. В квантовой механике принцип соответствия требует совпадения ее физических следствий в предельном случае с результатами классической теории. В принципе соответствия проявляется тот факт, что квантовые эффекты существенны лишь при рассмотрении микрообъектов, когда величины размерности действия сравнимы с постоянной Планка. С формальной точки зрения принцип соответствия означает, что в пределе ħ → 0 квантовомеханическое описание физических объектов должно быть эквивалентно классическому. Значение принципа соответствия выходит за рамки квантовой механики – он войдет составной частью в любую новую теоретическую схему. В современной физике термин «элементарные частицы» обычно употребляется не в своем точном значении, а менее строго – для наименования большой группы мельчайших частиц материи, которые не являются атомами или атомными ядрами (исключение составляет протон). Наиболее важное свойство всех элементарных частиц – способность рождаться и уничтожаться (испускаться и поглощаться) при взаимодействии с другими частицами. Сейчас общее число известных науке элементарных частиц (вместе с античастицами) приближается к 400. Некоторые из них стабильны и существуют в природе в свободном или слабосвязанном состоянии. Это – электроны, протоны, нейтроны, фотоны и различного сорта нейтрино.

Все остальные элементарные частицы крайне нестабильны и образуются во вторичных космических лучах или получаются в лаборатории. Основной способ их генерации – столкновения быстрых стабильных частиц, в процессе которых часть начальной кинетической энергии превращается в энергию покоя образующихся частиц (как правило, не совпадающих со сталкивающимися).

Общими характеристиками всех элементарных частиц являются масса m, время жизни t, спин J и электрический заряд Q.

В зависимости от времени жизни элементарные частицы делятся на стабильные, квазистабильные и нестабильные (резонансы). Стабильными в пределах точности современных измерений являются электрон (t > 5 • 10²¹ лет), протон (t > 5 • 10 ³¹ лет), фотон и нейтрино. К квазистабильным относятся частицы, распадающиеся за счет электромагнитного и слабого взаимодействий, их времена жизни t > 5 • 10^-20 с. Пример квазистабильной частицы – нейтрон.

Он распадается из-за слабого взаимодействия, среднее время жизни – 15,3 мин: . Резонансами называют элементарные частицы, распадающиеся за счет сильного взаимодействия; их характерные времена жизни t~ 10^-22- 10^-24 с.

Электрические заряды элементарных частиц являются целыми кратными величины е≈1,6-10^-19 Кл, называемой элементарным электрическим зарядом (зарядом электрона). У известных элементарных частиц Q = 0, ±1, ±2. Спин элементарных частиц является целым или полуцелым кратным постоянной Планка ħ.

Частицы с полуцелым спином называются фермионами. К фермионам относятся лептоны (например, электрон и нейтрино) и барионы, состоящие из кварков (например, протон и нейтрон). Системы фермионов описываются квантовой статистикой Ферми-Дирака. Фермионы подчиняются принципу запрета Паули и в данном квантовом состоянии системы фермионов не может, находится более одной частицы. Фермионы образуют материальные структры.

Частицы с целым или нулевым спином называются бозонами. К бозонам относятся частицы с нулевой массой покоя (фотон, гравитон), а также мезоны, состоящие из кварков (например π–мезоны). Системы таких частиц описываются статистикой Бозе-Эйнштейна. Бозоны не подчиняются принципу запрета Паули и для них не накладывается ограничения на число частиц, которые могут находиться в некотором квантовом состоянии. Они образуют поле взаимодействия (согласно квантовой теории поля) между фермионами.

Так, например, материальные структуры образованы электронами и нуклонами (протонами и нейтронами, образующими ядра атомов), а электромагнитное поле взаимодействия между ними образуют фотоны (точнее сказать виртуальные фотоны) (рис. 2).

Рис.2. Классификация элементарных частиц

Мезоны и барионы состоят из кварков, и поэтому имеют общее название – адроны. Все известные адроны состоят либо из пары кварк-антикварк (мезоны), либо из трех кварков (барионы). Кварки и антикварки удерживаются внутри адронов глюонным полем. Кварки различаются по «аромату» и «цвету». Каждый кварк может находиться в одном из трех цветовых состояний: «красном», «синем» и «желтом». Что касается «ароматов», то их известно 5 и предполагается наличие шестого. Каждому кварку соответствует его антикварк.. Кварки можно наблюдать только внутри адронов.

Физика элементарных частиц базируется на понятии о фундаментальных взаимодействиях гравитационном, электромагнитном, сильном и слабом.

Электромагнитное взаимодействие обусловлено обменом фотонами, которые изучены лучше остальных бозонов. Источник фотонов – электрический заряд. Гравитационное взаимодействие связано с пока гипотетическими частицами – гравитонами. Нейтральный (Z⁰) и заряженные (W⁺,W^–)бозоны являются переносчиками слабого взаимодействия между электронами, протонами, нейтронами и нейтрино. Переносчиками сильного взаимодействия являются глюоны. Они как бы склеивают кварки в адронах. Источники глюонов – так называемые «цветовые» заряды. Они не имеют никакого отношения к обычным цветам и названы так для удобства описания. Каждый из шести ароматов кварков существует в трех цветовых разновидностях: желтой, синей или красной (ж, с, к соответственно). Антикварки тоже несут цветовые антизаряды. Важно подчеркнуть, что три заряда и три антизаряда совершенно не зависят от ароматов кварков. Таким образом, в настоящее время полное число кварков и антикварков (с учетом трех цветов и шести ароматов достигло 36. Кроме того, имеется еще девять глюонов. Глюоны, как и кварки, не наблюдаются в свободном состоянии.

Существование кварков и глюонов приводит к появлению нового, состояния вещества, которое носит название кварк-глюонной плазмы.

Это плазма, состоящая не из электронов и ионов, как обычная плазма, а из кварков и глюонов, слабо взаимодействующих друг с другом или не взаимодействующих вообще.

Одной из главных задач микрофизики, о решении которой мечтал еще А. Эйнштейн, является создание единой теории поля, которая объединила бы все известные фундаментальные взаимодействия. Создание такой теории означало бы фундаментальный прорыв во всех областях науки.

К настоящему времени создана и признана теория, которая объединяет два фундаментальных взаимодействия – слабое и электромагнитное. Она называется единой теорией слабого и электромагнитного (электрослабого) взаимодействия и утверждает, что существуют особые частицы – переносчики взаимодействия между электронами, протонами, нейтронами, нейтрино. Эти частицы, названные бозонами W⁺, W^– и Z⁰, были теоретически предсказаны в 70-х гг. прошлого века и экспериментально обнаружены в 1983 г.

Теория сильного взаимодействия именуется квантовой хромодинамикой. Данная теория, описывающая взаимодействие кварков и глюонов, построена по образу квантовой электродинамики, которая, в свою очередь, описывает электромагнитные взаимодействия, обусловленные обменом фотонами. В отличие от электрически нейтральных фотонов, глюоны являются носителями «цветовых» зарядов. Это приводит к тому, что при попытке развести их в пространстве энергия взаимодействия возрастает. В результате глюоны и кварки не существуют в свободном состоянии: они «самозапираются» внутри адронов.

Современную теорию элементарных частиц, состоящую из теорий электрослабого взаимодействия и квантовой хромодинамики, принято называть стандартной моделью. Эта сложная, но уже почти законченная феноменологическая теория – главный теоретический инструмент, с помощью которого решаются задачи микрофизики

«Великое объединение» – так называют теоретические модели, исходящие из представлений о единой природе сильного, слабого и электромагнитного взаимодействий. Оно призвано объединить все существующие частицы: фермионы, бозоны и скалярные частицы. В рамках теории «Великого объединения» хорошо объясняются многие очень важные явления, в частности такие, как наблюдаемая глюонная асимметрия Вселенной, малая ненулевая масса покоя нейтрино, квантование электрического заряда и существование решений типа магнитных монополей Дирака. По последним данным, среднее время жизни протона составляет более 1,6 ∙ 10³³ лет. Доказательство нестабильности протона явилось бы открытием фундаментальной важности. Однако пока этот распад не зафиксирован. Ученые надеются, что дальнейшее развитие моделей «Великого объединения» приведет к объединению всех взаимодействий, включая и гравитационное (суперобъединение). Но это – дело будущего.

В микрофизике известна и играет важную роль некая фундаментальная длина, называемая планковской, или гравитационной, длиной – l_g = 1,6^–33 см. Считается, что длины меньше планковской в природе не существует. Совместно с планковским временем t_g ~ 1,6 ∙ 10^–43с они составляют пространственно-временные кванты, которые призваны лечь в основу будущей квантовой теории гравитации. По мнению академика В.Л. Гинзбурга, физический смысл длины l_g заключается в том, что при меньших масштабах уже нельзя пользоваться классической релятивистской теорией гравитации и, в частности, общей теорией относительности (ОТО), построение которой было завершено Эйнштейном в 1915 г.

В настоящее время наименьший «прицельный параметр», достигнутый на современных ускорителях, составляет l_f ~ 10 ^–17 см. Таким образом, можно заключить, что вплоть до расстояний l_f ~ 10 ^–17 см и времен l_f /c ~ 10^–27 с существующие пространственно-временные координаты справедливы. Значение l_f отличается от значения l_g на целых 16 порядков, поэтому вопрос о фундаментальной длине еще остается актуальным для науки.

Макромир. Теория строения атома дала химии ключ к познанию сущности химических реакций и механизма образований химических соединений – более сложного молекулярного уровня организации вещественной материи по сравнению с элементной атомной формой.

Квантовая механика позволила решить очень важный вопрос о расположении электронов в атоме и установить зависимость свойств элементов от строения электронных оболочек. В настоящее время разработаны схемы строения атомов всех химических элементов по периодическому закону Д.И. Менделеева.

В соответствии с принципом Паули все электроны в атоме отличаются друг от друга хотя бы одним квантовым числом. В атоме нет двух электронов, у которых все квантовые числа одинаковы, соответствии с указанными допущениями построены упрощенные схемы строения атомов для первых трех периодов таблицы Менделеева. Несмотря на условность и простоту этих схем, они достаточны для объяснения важнейших свойств элементов и ия соединений.

Физические основы химических связей в молекулах вещества. Однако природа сил, обусловливающих связь между атомами в молекулах, долгое время оставалась неизвестной. Только с развитием учения о строении атома появились теории, объясняющие причину различной валентности элементов и механизм образования химических соединений на основе электронных представлений. Все эти теории основываются на существовании связи между химическими и электрическими явлениями.

Ионная связь. Такого типа связь существует между противоположно заряженными ионами и образуется в результате простого электростатического притяжения ионов друг к другу.

Так, например, положительный ион Na⁺ образуется при отщеплении от атома натрия одного электрона. Так как в наружном слое атома натрия находится только один электрон, то естественно предположить, что именно этот электрон, как наиболее удаленный от ядра, и отщепляется от атома натрия при превращении его в ион. Подобным же образом ионы магния Mg²⁺ и алюминия А1³⁺ получаются в результате отщепления от атомов магния и алюминия соответственно двух и трех внешних электронов.

Процесс образования химического соединения ионного типа из атомов можно представить следующим образом. Сначала атомы превращаются в разноименно заряженные ионы вследствие перехода электронов от одного атома к другому, а затем уже ионы взаимно притягиваются, образуя соединение с ионной связью. Атомы натрия отдают свои «лишние» электроны, атомам хлора, превращаясь в положительные ионы с электронной конфигурацией инертного газа неона. В то же время атомы хлора, присоединившие к своему наружному слою по одному электрону, становятся отрицательными ионами со структурой атомов аргона. После этого сила электрического притяжения между разноименными зарядами связывает образовавшиеся ионы друг с другом, в результате чего получается соль – хлористый натрий (рис. 3).

Рис.3. Схема образования хлористого натрия

Таким образом, электровалентность элементов в ионных соединениях характеризуется числом электрических зарядов их ионов. Величина ее определяется числом электронов, отданных атомом при образовании положительного иона или присоединившихся к нему при образовании отрицательного иона. В первом случае электровалентность считается положительной, во втором – отрицательной.

Ковалентная связь. Предположение об электростатическом притяжении между противоположно заряженными ионами, как о причине возникновения химической связи, неприменимо к молекулам простых веществ (водорода Н₂, кислорода О₂ и др.), а также к молекулам веществ, образованных близкими по химическим свойствам элементами. Выдвинута теория их образования, получившая название теории ковалентных связей.

Химическая связь, обусловленная наличием электронных пар, называется ковалентной, или атомной, связью, в отличие от электровалентной, или ионной, связи, основанной на электростатическом притяжении между разноименно заряженными ионами. Примером молекул с ковалентной связью может служить вода (Н₂,О). Одним из элементов, образующих ковалентные связи, является углерод. Углерод участвует в молекулярных структурах почти всегда с четырьмя ковалентными связями.

Большая часть животного и растительного мира образована соединениями углерода (С) с водородом (Н) и некоторыми другими элементами, прежде всего азотом (N), кислородом (О), фосфором (Р) и серой (S). Эти соединения первоначально называли органическими соединениями, в отличие от ионных (неорганических), так как по своему химическому составу все животные и растения почти на 98% состоят из указанных шести химических элементов.

Из совокупности разных молекул состоит все неживое и живое вещество природы – макротела. Количественные изменения при переходе от микрообъектов (атомов, молекул) к макротелам большой совокупности микросистем – приводят к существенным качественным изменениям в поведении, следовательно, в описании этих объектов.

Вещество может находиться в четырех агрегатных состояниях – твердые тела, жидкости, газы, плазма. Все явления и процессы в макромире связаны с процессами сохранения и преобразования одних форм движения в другие на основе двух законов – закона сохранения и превращения энергии и закона возрастания энтропии.

Мегамир. Объектами мегамира являются тела космического масштаба – кометы, метеориты, астероиды (малые планеты), планеты, планетные пстемы, Солнечная система, звезды (нейтронные, белые и желтые карлики, красные гиганты), звездные системы, черные дыры, квази-звезды (квазары), Галактика (Млечный Путь), Метагалактика, системы галактик. Огромные расстояния между космическими объектами вызывают необходимость ввода новых величин для измерения расстояний.

1. Астрономическая единица – среднее расстояние от Земли до солнца: 1 а.е. = 1,5 ∙ 10 ¹¹ м = 1,5 ∙ 10⁸ км.

2. Световой год – расстояние, которое проходит свет за один год: 1 световой год = 9,46 ∙ 10¹⁵ м = 9,46 ∙ 10¹² км.

3.Парсек – расстояние, которое в 3,26 раз больше светового года: 1 парсек = 3,1 ∙ 10¹⁶ м = 3,1 ∙ 10¹³ км.

Состояние, принципы суперпозиции, неопределенности, дополнительности.

Газы характеризуются их изотермическим, адиабатическим, изобарическим, изохорическим сотоянием; жидкости состоянием ламинарного или турбулентного движения; а состояние твердого тела – наличием или отсутствием кристаллической решетки; плазмы – наличием плазменных частот и.т.д. Состояние определяется параметрами состояния, сохраняющих свои значения при неизменных внешних условиях. Эту величину ввел в науку И. Ньютон. Различают устойчивое (стационарное) и неустойчивое состояние. Переход системы из одного состояния в другое означает процесс.

Принцип неопределенности. Используемые в квантовой механике волновые функции для описания микрочастиц дают возможность установить вероятность нахождения микрочастиц в том или ином месте пространства в соответствии с принципом неопределенности. Такое положение связано с двойственностью частиц микромира. С одной стороны, если считать микроструктуру частицей, то она должна быть локализована в пространстве, а если ее считать волной, то она формально занимает все пространство.

Вероятностный характер волновых функций приводит к парадоксальному выводу: если мы какую-то группу параметров микрочастиц можем знать более или менее точно (с небольшой погрешностью), то существует однозначно связанная с ней другая группа параметров, одновременные сведения о которых принципиально получить нельзя. Такими взаимно противоположными, дополнительными, или канонически сопряженными, переменными в микромире являются координаты и скорость (или импульс), энергия, и время, направление и величина момента количества движения, кинетическая и потенциальная энергии напряженность электрического поля в данной точке и число фотонов и др. В 1927 г. один из создателей квантовой механики В. Гейзенберг установил фундаментальное положение квантовой теории – принцип неопределенности.

Количественно соотношение неопределенности формулируется следующим образом. Если ∆х – неопределенность значения координаты х – центра инерции системы, а ∆р – неопределенность импульса р, то произведение этих неопределенностей должно быть по порядку величины не меньше постоянной Планка h, т.е. ∆х∆р >h. Ввиду малости h по сравнению с макроскопическими величинами той же размерности действия соотношение неопределенности существенно только для явлений атомных масштабов и не проявляется в опытах с макроскопическими телами.

Никакой эксперимент не может привести к одновременно точному измерению таких динамических переменных. При этом неопределенность в измерениях связана не с несовершенством экспериментальной техники, а с объективными свойствами микрообъектов. Таким образом, соотношение неопределенностей является квантовым ограничением применимости классической механики к микрообъектам.

Принцип дополнительности. Для описания микрообъектов Н. Бор сформулировал принципиальное положение квантовой механики – принцип дополнительности, который наиболее четко изложил в следующей форме:

Для полного описания квантово-механических явлений необходимо применять два взаимоисключающих («дополнительных») набора классических понятий, совокупность которых дает наиболее полную информацию об этих явлениях как о целостных.

По современным представлениям, квантовый объект – это одновременно и частица, и волна, которые являются классическими понятиями. Для возможно полного представления о микрообъекте мы должны использовать два разных типа приборов: один – для излучения волновых свойств, другой – для корпускулярных. Эту свойства несовместимы в отношении их одновременного проявления, но оба они в равной мере характеризуют микрообъект, а поэтому не противоречат, а дополняют друг друга. Эта идея и положена Бором в основу важнейшего методологического принципа современной науки – принципа дополнительности.

Принцип суперпозиции. В физике при изучении линейных систем широко используется принцип суперпозиции: общий результат воздействия на систему многих факторов равен сумме результатов воздействия каждого отдельного фактора.

Плодотворным оказалось применение принципа суперпозиции при изучении микромира. Здесь он стал одним из фундаментальных принципов (наряду с соотношением неопределенностей), составляющих основу математического аппарата квантовой механики. Состояния микросистем описываются волновыми функциями. Из принципа суперпозиции, например, следует, что если квантово-механическая система может находиться в некоторых конкретных состояниях, описываемых волновыми функциями, то физически допустимым будет состояние, изображаемое другой волновой функцией, т.е. суперпозицией исходных волновых функций. Принцип суперпозиции в описании микромира отражает волновую природу микрочастиц.

Лекция 4. ПРОСТРАНСТВО И ВРЕМЯ

Пространство и время – категории, обозначающие основные фундаментальные формы существования материи. Пространство выражает порядок существования отдельных объектов, время – порядок смены явлений и состояний материи. Пространство и время служат также одним из важнейших средств конструирования теоретических моделей, интерпретирующих экспериментальные данные.

Все тела имеют определенную протяженность – длину, ширину, высоту. Они различным образом расположены друг относительно друга, составляют части той или иной системы. Пространство есть форма координации существующих объектов, состояний материи. Порядок сосуществования этих объектов и их состояний образуют структуру пространства.

Явления характеризуются длительностью существования, последовательностью этапов развития. Процессы совершаются либо одновременно, либо один раньше или позже другого. Все это означает, что тела существуют и движутся (изменяются) во времени.

Время – это форма координации сменяющихся объектов и их состояний. Порядок смены этих объектов и состояний образуют структуру времени.

Пространство и время – всеобщие формы существования, координации объектов. Всеобщность данных форм бытия заключается в том, что они есть формы бытия всех предметов и процессов, которые были, есть и будут в мире. В мире все простирается и длится.

Единство и многообразие свойств пространства и времени. Поскольку пространство и время неотделимы от материи, правильнее было бы говорить о пространственно-временных свойствах и отношениях материальных систем. Выделяют всеобщие и специфические свойства пространства и времени, а также исследуют особенности пространства и времени в микромире и мегамире. Из всеобщих свойств пространства и времени следует отметить их:

1. Объективность и независимость от человеческого сознания и сознания всех других разумных существ в мире.

2. Абсолютность – они являются универсальными формами бытия материи, проявляющимися на всех структурных уровнях ее существования.

3. Неразрывную связь друг с другом и с движущейся материей.

4. Единство прерывности и непрерывности в их структуре – наличие отдельных тел, фиксированных в пространстве при отсутствии каких-либо «разрывов» в самом пространстве.

5. Количественную и качественную бесконечность, неотделимую от структурной бесконечности материи – невозможность найти место, где отсутствовали бы пространство и время, а также неисчерпаемость их свойств.

Всюду, где есть любое взаимодействие и движение материи, сосуществование и связь ее элементов, обязательно наличествует пространство и время; всюду, где имеется сохранение материи, длительность ее бытия и последовательность смены состояний, будет и время, включающее в свое содержание все эти процессы.

К общим свойствам пространства относятся:

1. Протяженность – рядоположенность, существование и связь различных элементов (точек, отрезков, объемов и др.), возможность прибавления к каждому данному элементу некоторого следующего элемента либо возможность уменьшения числа элементов. Протяженность тесно связана со структурностью материальных объектов, обусловлена взаимодействием между составляющими тела элементами материи.

2. Связность и непрерывность – проявляются в характере перемещений тел от точки к точке, в распространении воздействий через различные материальные поля в виде близкодействия передаче материи и энергии. Связность означает отсутствие каких-либо «разрывов» в пространстве и нарушений в распространении воздействий в полях.

3. Трехмерность – общее свойство пространства, обнаруживающееся на всех известных структурных уровнях, органически связано со структурностью систем и их движением. Все материальные процессы и взаимодействия реализуются в пространстве трех измерений (длина, ширина, высота). Три измерения являются тем необходимым и достаточным минимумом, в рамках которого могут осуществляться все типы взаимодействий материальных объектов.

4. Пространству на всех известных структурных уровнях материи присуще единство метрических и топологических свойств. Метрические свойства проявляются в протяженности и характере связи элементов тел. Метрика может быть различной – евклидовой и неевклидовой, причем возможно много разновидностей неевклидовых пространств с различными значениями кривизны. Топологические свойства характеризуют связность, трехмерность, непрерывность, неоднородность, бесконечность пространства, его единство со временем и движением.

Общие свойства времени:

1. Длительность – последовательность сменяющих друг друга моментов или состояний, возникновение за каждым данным интервалом времени последующих, предполагает возможность прибавления к каждому данному моменту времени другого, а также возможность деления любого отрезка времени на меньшие интервалы. Длительность обусловлена сохранением материи и ее атрибутов, единством устойчивости и изменчивости в мире. Никакой процесс в природе не может происходить сразу, мгновенно, он обязательно длится во времени, что обусловлено конечной скоростью распространения взаимодействий и изменения состояний.

Аналогично протяженности пространства, длительность относится к метрическим свойствам. Отсутствие же всякой длительности, связанное, например, с состоянием материи типа сингулярности (объект с бесконечной плотностью, гравитационным полем и точечными размерами), означало бы, что материя в этом состоянии не обладает способностью к сохранению и последовательной смене состояний, что равносильно отрицанию всякого материального бытия.

2. Длительность бытия объектов во времени выступает как единство прерывного и непрерывного. Сохраняемость материи и непрерывная последовательность ее изменений, близкодействие в причинных отношениях определяют и общую непрерывность времени, проявляющуюся в непрерывном переходе предшествующих состояний в – последующие. Время как форма бытия материи складывается из множества последовательностей и длительностей существования конкретных объектов, каждый из которых существует конечный период. Поэтому время характеризуется прерывностью бытия конкретных качественных состояний, она относительна, так как между всеми сменяющими друг друга качествами имеется внутренняя связь и непрерывный переход.

3. Всеобщим свойством времени является необратимость, означающая однонаправленное изменение от прошлого к будущему. Прошлое порождает настоящее и будущее, переходит в них. К прошлому относятся все те события, которые уже осуществились и превратились в последующие. Будущие события – это те, которые возникнут из настоящих и непосредственно предшествующих им событий. Настоящее охватывает все те объекты, системы и процессы, которые реально существуют и способны к взаимодействию между собой. Взаимодействие возможно лишь при одновременном сосуществовании объектов. Объекты, сосуществовавшие в прошлом, но перешедшие в другие последующие состояния материи, уже недоступны никакому воздействию. На прошлое физически воздействовать невозможно, можно только изменить представление о прошлом в сознании реально существующих людей.

На отдаленное будущее также нельзя воздействовать, пока оно не возникнет, поскольку реально оно еще не существует. Воздействовать можно на события настоящего и на те ближайшие события будущего, которые из них непосредственно вытекают. Понятие настоящего многозначно (как и понятие современности), ибо охватывает различные временные интервалы. Так, для человека предельно суженное настоящее – это сиюсекундное переживание, фиксируемое с большим трудом. Все, что было до него, относится к прошлому, все последующее – к будущему. Но это настоящее может быть расширено, в зависимости от сопоставляемых интервалов и масштабов события, до часа, дня, года и большего отрезка времени, как и понятие современности.

Для объективно существующих систем настоящее время охватывает тот интервал, в течение которого они физически могут взаимодействовать между собой путем обмена материей и энергией. Если бы скорость распространения воздействий была бесконечной, то это настоящее представляло бы собой сколь угодно малый миг, дающий мгновенное сечение всех событий во Вселенной – настоящих, прошлых и будущих. Но скорость распространения воздействий всегда конечна и не превышает скорости света в вакууме. Для элементарных частиц это будут очень малые отрезки, но для Галактики они возрастают до сотни тысяч лет, а в больших системах они будут еще более значительными. Внутри этого настоящего для больших систем могут укладываться события прошлого, настоящего и будущего малых систем, существующих намного меньшее время, например, жизни конкретных поколений людей. Действие всегда происходит только в одном направлении: от прошлого к настоящему и от него – к будущему, но никогда наоборот.

4. Одномерность времени проявляется в линейной последовательности событий, связанных между собой. Если для определения положения тела в пространстве необходимо задать три координаты, то для определения времени достаточно одной. Если бы время имело не одно, а два, три и больше измерений, то это означало бы, что параллельно нашему миру существуют аналогичные и никак не связанные с ним миры-двойники, в которых те же самые события разворачивались бы в одинаковой последовательности.

Рассмотрим теперь специфические и локальные пространственно-временные свойства систем. К пространственным свойствам относятся:

1. Конкретные пространственные формы тел, их положение в пространстве по отношению друг к другу, скорость пространственного перемещения, размеры тел.

2. Наличие у них внутренней симметрии или асимметрии. Различные виды симметрии свойственны как макромиру, так и микромиру, являясь фундаментальным свойством неживой природы. Живому веществу присуще свойство пространственной асимметрии, которым обладает молекула живого вещества.

3. Изотропность и неоднородность пространства. Изотропность означает отсутствие выделенных направлений (верха, низа и других), независимость свойств тел, движущихся по инерции, от направления их движения. Полная изотропность присуща лишь вакууму, а в структуре вещественных тел проявляется анизотропия в распределении сил связи. Они расщепляются в одних направлениях лучше, чем в других. Точно так же полная однородность свойственна лишь абстрактному евклидовому пространству и является идеализацией. Реальное пространство материальных систем неоднородно, различается метрикой и значениями кривизны в зависимости от распределения тяготеющих масс.

В биологических системах есть специфические пространственно-временные свойства: асимметрия расположения атомов в молекулах белка и нуклеиновых кислот, собственные временные ритмы и темпы изменения внутри организменных и надорганизменных биосистем, взаимосвязь и синхронизация ритмов друг с другом, а также с вращением Земли вокруг оси и сменой времен года.

Так же и в обществе есть специфические пространственные отношения между его элементами, собственные ритмы и темпы изменения в различных сферах общественной жизни, проявляется ускорение темпов развития с прогрессом науки и техники.

Но во всех этих и других системах проявляются указанные выше всеобщие свойства пространства и времени и большинство их общих свойств.

Поле и вещество, и их взаимосвязь. Под веществом понимают различные частицы и тела, которым присуща масса покоя, тогда как поля и их кванты массы покоя не имеют, хотя обладают энергией, импульсом и множеством других свойств. Поле и вещество нельзя противопоставлять друг другу. Если рассматривать структуру вещества, то во всех системах внутреннее пространство будет «занято» полями, на долю собственно частиц приходится ничтожная часть общего объема системы, т.е. поля входят в структуру вещества. В свою очередь, квантами полей выступают частицы, относящиеся к веществу. В этой неразрывной взаимосвязи частиц и полей можно видеть одно из важнейших свойств проявления единства прерывности и непрерывности в природе.

К настоящему времени идея Планка обоснована опытами с самыми различными объектами в микросостояниях, из которых следует одно и то же значение h. Они подтвердили универсальный характер постоянной Планка, характеризующей не какое-то конкретное микросостояние объекта или конкретное воздействие (включая наблюдение), а фундаментальный закон природы – существование универсального ограничения на минимально возможную величину квантового действия. В этом смысле постоянная Планка h – столь же фундаментальная физическая величина, что и скорость света в вакууме с, значение которой также характеризует не просто скорость какого-то конкретного физического процесса, а фундаментальный закон природы – существование универсального ограничения на максимально допустимую скорость любого материального объекта.

Универсальный характер постоянной Планка проявляется и в том, что через нее могут быть выражены любые физические характеристики, которыми обмениваются два взаимодействующих объекта (из которых один обязательно микроскопичен). Действительно, размерность элементарного кванта действия

[h] = [энергия х время] = [импульс х расстояние] = [момент].

Поскольку время и расстояние в микромире остаются непрерывными, отсюда непосредственно следует представление о дискретности, квантованности энергии, импульса и момента.

Осознание значения открытия Планка как скачка в духовном развитии всего человечества может прийти только после глубокого обдумывания идей неклассической физики. Оно связано с решением проблемы сочетания целостности и сложности в микромире.

Принцип причинности. Классическая физика основывается на следующем понимании причинности: состояние механической системы в начальный момент времени с известным законом взаимодействия частиц есть причина, а ее состояние в последующий момент времени – следствие.

Известны простая причинно-следственная связь: одна причина – одно следствие; сложные причинные связи: несколько причин – одно следствие; одна причина – несколько следствий; прямые и опосредованные причинно-следственные отношения. Различают взаимодействие: явление-причина испытывает обратное действие со стороны собственного действия. Дальнейшее развитие причинно-следственных отношений – учет условий, поводов, причинных оснований.

Каков наш мир: событиен ли он или процессуален, и каковы причины наблюдающейся в нашем мире необратимости и многовариантности? Вывод, таков: мир событиен, событиям внутренне присуща многовариантность, отсутствие жесткого детерминизма делает невозможным обратить события вспять, что делает наш мир необратимым.

Необратимость – неустранимое свойство реальности. Стрела времени. На существование парадокса времени было обращено внимание почти одновременно с естественнонаучной и философской точек зрения в конце XIX века. В работах философа Анри Бергсона время, или «длительность», играют главную роль при обсуждении взаимоотношений между человеком и природой, а также пределов науки. Наука успешно развивалась только в тех случаях, когда ей удавалось свести происходящие в природе процессы к монотонному повторению. Но всякий раз, когда наука пыталась описывать созидающую силу времени, возникновение нового, она неизбежно терпела неудачу. Согласно Бергсону, наше понимание природы должно опираться не на объекты, выделенные наукой вследствие их повторяющегося временного поведения, а на наш субъективный собственный опыт, который является в первую очередь и по большей части опытом длительности и творчества. Проблема времени была частью нового осознания становления как фундаментальной категории умопостигаемости.

В XIX веке возникли две концепции времени. Одна из них восходит к динамике, другая – к термодинамике. С точки зрения классической динамики время отнюдь не означает становления. Возникло противоречие теорий: обратимые во времени законы динамики против второго начала термодинамики, связанного с необратимой эволюцией к равновесию. Из классической динамики вытекает отрицание стрелы времени. Принцип, которым руководствовались Галилей, Гюйгенс был явно сформулирован Лейбницем, который назвал его «принципом достаточного основания». Этот принцип утверждает, что в природе «полная» причина любого превращения эквивалента его «полном» следствию. До Больцмана принцип достаточного основания традиционно приравнивался детерминистической связи между причиной и следствием. Эквивалентность между причиной и следствием, требуемая принципом достаточного основания, является важнейшим исходным пунктом.

Обратимых процессов в мире не бывает. Мы живем в «невероятном» мире, и «стрела времени», указывающая на различия между прошлым и будущим – следствие из этого факта. Почему все выглядит так, будто одна единственная стрела времени управляет всем наблюдаемым миром? Открытие самоорганизации, детерминированного хаоса указывают направление науки с ориентированным временем, свободной от парадокса времени, квантового парадокса и космологического парадокса.

Пространство и время в специальной теории относительности (СТО). В специальной теории относительности А. Эйнштейна выявилась взаимозависимость пространственных и временных характеристик объектов, а также их зависимость от скорости движения относительно определенной системы отсчета.

Рассматривая относительность длин и промежутков времени, А. Эйнштейн приходит к выводу о том, что понятие одновременности лишено смысла: «Два события, одновременные при наблюдении из одной координатной системы, уже не воспринимаются как одновременные при рассмотрении из системы, движущейся относительно данной». В связи с этим возникла необходимость преобразований координат (положения тел) и времени от покоящейся системы к системе, равномерно и прямолинейно движущейся относительно первой. Из этих преобразований вытекает отрицание неизменности протяженности и длительности, величина которых зависит от движения системы отсчета.

Выяснились относительность длины и временного промежутка, равноправность пространства и времени, инвариантность пространственно-временного интервала.

Важный вклад в понятие «равноправности» пространства и времени внес Г. Минковский. Он показал органическую взаимосвязь пространства и времени, которые оказались компонентами единого четырехмерного континуума (три пространственных координаты и одна временная). С этой точки зрения разделение пространства и времени не имеет смысла. В соответствии с СТО статусом самостоятельной субстанции природы является единое четырехмерное пространство-время.

Пространство и время в общей теории относительности (ОТО). Еще более сложную связь, по сравнению с СТО, между пространством и временем, с одной стороны, и движением и материей (массой вещества) – с другой, была установлена А. Эйнштейном в рамках созданной им общей теории относительности (ОТО).

Оказалось, что наличие в пространстве материальных тел (масс тел) приводит к изменению структуры пространства и оно искривляется. Поэтому для пространственно-временного описания событий в ОТО необходима другая геометрия пространства – неевклидова геометрия. При разработке ОТО А. Эйнштейн положил основу геометрию искривленного пространства, разработанную ранее немецким математиком Б. Риманом .

Таким образом, в ОТО А. Эйнштейн доказал, что структура четырехмерного пространства-времени определяется распределением масс материи. Сам А. Эйнштейн так определил суть ОТО: раньше считали, что если каким-нибудь чудом все материальные вещи исчезли бы вдруг, то пространство и время остались бы. Согласно же теории относительности вместе в вещами исчезли бы пространство и время. Следует подчеркнуть, что в ОТО находит наиболее полное воплощение современное представление о пространстве и времени как формах существования материи.

Общая теория относительности – это теория тяготения, теория гравитационного поля. Ее законы проявляются в основном в космических масштабах. Новые свойства искривленного пространства-времени поставили целый ряд новых вопросов и проблем в космологии и космогонии. Это, например, вопросы однородности и изотропности в искривленном пространстве, вопросы конечности бесконечности Вселенной и ряд других.

Современные взгляды на пространство и время. Ранее мы выяснили, какие из свойств пространства и времени являются универсальными (всеобщими), а какие – специфическими (их всеобщность не доказана). Отнесение к специфическим характеристикам некоторых свойств пространства и времени еще не означает, что где-то опытным путем найдены исключения. Однако логика стремительного развития естествознания последнего столетия свидетельствует о том, что подобные открытия возможны.

Существуют основания считать, что на глубинных уровнях микромира пространство и время прерывны и подобно материи квантованы, т.е. складываются из неделимых «порций». Прогнозируемый квант пространства может иметь размер порядка 10^–33 см (порядка планковской длины, характеризующей масштаб проявления квантовых свойств), но до проникновения в мир таких масштабов современной науке еще далеко.

Сейчас уже не считается универсальной характеристикой однонаправленность времени от прошлого к будущему. Так, в модели «пульсирующей Вселенной» предполагается, что ныне наблюдаемое расширение Вселенной может при определенных условиях смениться сжатием. А в описывающих эту фазу ее эволюции математических уравнениях время сменит свой знак с положительного на отрицательный, т.е. «потечет вспять». Имеется и целый ряд других парадоксальных, с нашей точки зрения, явлений.

Специальная теория относительности объединила пространство и время в единое четырехмерное пространственно-временное многообразие (пространство-время). СТО установила зависимость свойств пространства-времени от скорости движения тел.

Общая теория относительности (ОТО) привела к выводу относительно пространства-времени. Его общий смысл таков: метрические свойства пространства-времени определяются распределением и движением тяготеющих масс материи, и наоборот, силы тяготения в каждой точке пространства зависят от его метрики. Пространство и время существуют «не сами по себе», а в тесной зависимости от свойств материи.

Принципы относительности. Важную роль в развитии естествознания сыграл принцип относительности для механического движения, впервые установленный Г. Галилеем и окончательно сформулированный в механике И. Ньютоном. Для его понимания потребуется ввести понятие системы отсчета, или координат.

Как известно, положение движущегося тела в каждый момент времени определяется по отношению к некоторому другому телу, которое называется системой отсчета и с которым может быть жестко связана система координат. Таким образом, механическое движение тогда относительно, и его описание зависит от того, по отношения к какой системе координат оно рассматривается.

Среди систем особо выделяются инерциальные системы, которые находятся друг относительно друга либо в покое, либо равномерном и прямолинейном движении.

Смысл принципа относительности Галилея заключается в том, что во всех инерциальных системах отсчета законы классической механики имеют одинаковую математическую форму записи. По существу, это означает, что из совокупности инерциальных систем невозможно выделить какую-либо одну преимущественную систему.

Из преобразований Галилея следует, что при переходе от одной инерциальной системы к другой такие величины, как координаты тела, скорость, импульс, кинетическая энергия, изменяются. А такие величины, как время, масса, ускорение, сила, и, следовательно, все законы Ньютона, при подобных преобразованиях остаются неизменными, т.е. инвариантными.

Специальная теория относительности. После создания электродинамики, доказавшей существование в природе еще одного вида материи – электромагнитного поля, которое математически описывается системой уравнений Максвелла, возник вопрос: распространяется ли принцип относительности Галилея на электромагнитные явления, т.е. сохраняется ли вид уравнений Максвелла при рассмотрении их в различных инерциальных системах координат. Преобразования Галилея, не сохраняет уравнений Максвелла. Это приводило к выводам о том, что законы движения вещества и поля существенно различны.

Одно из направлений исследований уравнений Максвелла, проведенных Лоренцем, показало, что можно формально добиться сохранения вида уравнений Максвелла при переходе от одной) к другой инерциальной системе координат, если преобразование координат и времени произвести в соответствии с преобразованиями Лоренца: Из формул Лоренца следовало, что пространственные и временные преобразования не являются независимыми: в преобразование координат входит время, а в преобразование времени – координаты, время в разных системах координат течет по-разному.

Противоречия разрешил А. Эйнштейн, создав специальную теорию относительности. Он выдвинул новую радикальную идею о связи пространства и времени. Найденное Эйнштейном решение проблемы потребовало отказа от прежних представлений о том, что пространство и время – различные и не связанные друг с другом понятия. С точки зрения Эйнштейна, реальный мир представляет собой не трехмерное, а четырехмерное пространство, поскольку оно также должно включать время, так как пространственные и временные координаты неразрывно связаны друг с другом и равноправны, образуя четырехмерное пространство-время.

Анализ принципа относительности Галилея привел А. Эйнштейна к выводу двух постулатов, легших в основе специальной теории относительности:

1. Принцип относительности, который гласит, что в любой инерциальной системе все физические законы описываются одинаковым образом.

2. Принцип постоянства скорости света, утверждающего, что во всех инерциальных системах скорость света с одинакова и равна с= 10⁸ м/с.

Первый принцип, по сути, распространяет принцип относительности Галилея для законов механики на законы электродинамики.

Второй принцип основан на уже достаточно хорошо установленном экспериментальном факте постоянства скорости света независимо от характера относительного движения источника и приемника света.

Специальная теория относительности Эйнштейна привела к необходимости пересмотра всех фундаментальных понятий естествознания – пространства и времени, материи и движения. Оказалось, что: с увеличением относительной скорости уменьшаются линейные размеры тел вдоль направления движения и увеличивается масса по законам: , гдеL₀ и М₀ – линейные размеры и масса тела в состоянии покоя.

Независимость скорости света ни от направления распространения, ни от скорости источника ставит точку в спорах относительно существования «мирового эфира», возмущениями которого являются электромагнитные волны. Таким образом, инвариантность скорости света является существенным подтверждением принципа относительности. Установлена новая фундаментальная связь между энергией массой материальных тел, выражающаяся соотношением Е = тс².

Из СТО, как видно, следует, что время, линейные размеры и масса тел являются относительными. Их величина зависит от того, в какой инерциальной системе координат мы их рассматриваем.

Оказывается, время в разных системах отсчета течет по-разному, а это значит, промежуток времени между какими-либо двумя событиями будет зависеть от выбора системы координат, и, следовательно, события, одновременные в одной инерциальной системе координат, будут не одновременными в других системах отсчета.

Как и в механике Ньютона, в СТО считается, что пространство однородно и изотропно, а время однородно. Но если в механике Ньютона пространство и время не были связаны между собой, то в СТО они оказываются взаимосвязанными, образуя единое четырехмерное пространство-время.

Одно из следствий СТО – новый (по сравнению с классической механикой) закон сложения скоростей. Основанная на инвариантности скорости света специальная теория относительности приводит к интересным результатам, которые подтверждаются практикой. Прежде всего, это «парадокс близнецов», а также тот факт, что скорость сигнала, несущего информацию, не может превышать скорость света.

Общая теория относительности. В СТО законы формулируются для инерциальных систем, движущихся с постоянной скоростью. В ОТО рассматриваются любые системы отсчета, в том числе и движущиеся с ускорением. Таким образом, ОТО обобщила СТО также на ускоренные системы. Главное приложение ОТО нашла в изучении движения ускоренных тел в гравитационных полях. Иногда ОТО называют теорией тяготения, или гравитации, поэтому она нашла наибольшее применение в вопросах космогонии. Из ОТО был получен ряд важных выводов:

1) свойства пространства-времени зависят от движущейся материи, в частности от массы тел. вблизи, тел, обладающих значительной массой, пространство-время искривляется, так что в гравитационном поле распределенных масс пространство становится неевклидовым, а ход времени вблизи тел замедляется;

2) луч света должен искривляться в поле тяготения;

3) частота света в результате действия поля тяготения должна изменяться. В результате этого эффекта линии солнечного света, под действием гравитационного поля Солнца должны смещаться в сторону красного спектра по сравнению со спектрами соответсвующих земных источников.

Подтверждение ОТО получено при отклонении луча света в гравитационном поле Солнца, которое было обнаружено во время солнечного затмения 29 мая 1919 г. в полном согласии с предсказанием ОТО. Красное смещение в спектрах небесных тел также было обнаружено в 1923−1926 гг. при изучении Солнца, а в 1925 г. − при наблюдении спектра спутника Сириуса. Экспериментальное подтверждение выводов ОТО явилось ее триумфом. ОТО произвела переворот в космологии. На ее основе появились различные модели Вселенной.

Лекции 5,6. Принципы симметрии и законы сохранения

Симметрия: понятие, формы и свойства. Как известно, в физике имеется целый ряд законов сохранения, например закон сохранения массы вещества, энергии, количества движения, момента количества движения, электрического заряда.

Законы сохранения в науке играют особую роль, они отражают стабильность природы. В математике известен целый ряд инвариантных преобразований (например, в механике – преобразования Галилея, в электродинамике – преобразования Лоренца), в результате которых сохраняются законы механики Ньютона, а в электродинамике сохраняется вид уравнений Максвелла в различных инерциальных системах координат.

Во всех перечисленных случаях законам в физике или преобразованиям в математике соответствует некоторая симметрия.

С другой стороны, установление некоторой симметрии в физике и математике ведет к установлению новых законов сохранения или инвариантных преобразований. Поэтому выявление и установление симметрии – одна из наиболее эффективных методологических основ открытия новых законов сохранения в природе. Особенно успешно подобный путь познания законов сохранения используется в области изучения физики микромира, физики элементарных частиц, где исследования прямыми методами затруднены в силу малых размеров физических объектов.

Симметрия (от греч. – соразмерность) в широком смысле – инвариантность (неизменность) структуры, свойств, формы материального объекта относительно его преобразований.

Согласно современным представлениям, симметрию можно определить примерно так: симметричным называется такой предмет, который можно как-то изменять, получая в результате то же, с чего начали (Р. Фейнман).

Таким образом, симметрия предполагает неизменность объекта (каких-либо свойств объекта) по отношению к каким-либо преобразованиям или операциям, выполняемым над объектом.

Понятие симметрии имеет определенную «структуру», состоящую из трех факторов:

1. наличие объекта или явления, симметрия которого рассматривается;

2. процедура изменения (преобразования), по отношению к которому рассматривается симметрия;

3. установление инвариантности (неизменности, сохранения) каких-либо свойств объекта, выражающей рассматриваемую симметрию.

Подчеркнем, что инвариантность существует не сама по себе, не вообще, а лишь по отношению к определенным преобразованиям. С другой стороны, изменение (преобразование) представляет интерес постольку, поскольку что-то при этом сохраняется. Иными словами, без изменений не имеет смысла рассматривать сохранение, равно как без сохранения исчезает интерес к изменениям.

Формы симметрии. Симметрия выражает сохранение чего-либо каких-либо изменениях, другими словами, сохранение чего-либо, несмотря на изменения. Таким образом, понятие симметрии основывается на на диалектике сохранения и изменения. В физике общепринято выделять две формы симметрии: геометрическую и динамическую.

Симметрии, выражающие свойства пространства и времени, относят к геометрической форме симметрии. Примерами геометрических симметрии являются: однородное пространства и времени, изотропность пространства, пространственная четность, эквивалентность инерциальных систем отсчета.

Симметрии, непосредственно не связанные со свойствами пространства и времени, выражающие свойства определенных физических взаимодействий, относят к динамической форме симметрии.

Примерами динамических симметрии являются симметрии электрического заряда. Вообще говоря, к динамическим симметриям относят симметрии внутренних свойств объектов и процессов. Так что геометрические и динамические симметрии можно рассматривать как внешние и внутренние симметрии.

К основным формам геометрической симметрии, прежде всего, относятся:

1. зеркальная симметрия (симметрия отражения);

2. поворотная симметрия (центральная симметрия);

3. трансляционная симметрия (симметрия повторения).

Зеркальной называют симметрию, имеющую плоскость, линию, или временной раздел двух совершенно одинаковых относительно, друг друга частей одного целого (например, цветной узор крыльев бабочки).

Поворотная симметрия предполагает наличие некоторого центра, относительно которого происходит многократный поворот одного итого же структурного фрагмента. В зависимости от повторяющегося кругового сектора а (в угловых градусах) определяется порядок поворотной симметрии п. Например, для снежинки с α = 60° порядок поворотной симметрии п = 6.

Трансляционной симметрией называется многократное повторение одного и того же фрагмента структуры в пространстве или во времени. Примером трансляционной симметрии может служить любой орнамент.

Примером симметрии в неживой природе являются кристаллические структуры твердых тел.

Важным свойством свободного пространства являются однородность и изотропность. Под однородностью пространства понимают тот факт, что в этом пространстве нет особых точек, обладающих особыми свойствами. Из однородности пространства вытекает закон сохранения импульса, из изотропности пространства – закон сохранения момента импульса.

Под однородностью времени понимается тот факт, что любые явления, происходящие в разное время, но при одних и тех же условиях, протекают совершенно одинаково. Из этого утверждения вытекает закон сохранения энергии.

Закон сохранения электрического заряда является следствием так называемой калибровочной инвариантности. Калибровочная инвариантность – один из важнейших принципов теории поля. Можно показать, что если записать интеграл действия S для системы «заряд–поле» и провести калибровочное преобразование, то действие остается неизменным, а вариация действия будет равна нулю, если заряд является постоянной величиной.

Инвариантность действия при преобразовании калибровки будет иметь место при условии сохранения заряда, т.е. симметрия калибровочного преобразования полей напрямую связана с законом сохранения заряда. Эта общая закономерность справедлива для полей любого характера.

Исследование реакций с участием элементарных частиц и античастиц и процессов их распада привело к открытию некоторых новых свойств симметрии, в том числе симметрии относительно зарядового сопряжения. Если в уравнении какой-либо реакции каждую частицу заменить на античастицу, то получится уравнение, описывающее новую реакцию. Эта операция называется зарядовым сопряжением.

Еще большее значение симметрия играет в квантовой механике. Если здесь установлен принцип какой-либо симметрии, то окажется, что он всегда позволяет вывести соответствующий закон сохранения.

Возникает вопрос, почему симметрия играет такую исключительную роль в установлении законов сохранения, какое значение она имеет в отражении свойств самой природы. История формирования понятия «симметрия» в науке начиналась с понимания ее как «однородность, соразмерность, пропорциональность, гармония». Философское значение принципов симметрии как наиболее общая форма выражения принципа детерминизма. Принцип причинности имеет симметрический аспект: симметрия причин сохраняется в симметрии следствий.

Симметрия объектов: объект является симметричным, если над ним можно произвести некоторые операции, в результате которых объект будет выглядеть точно так же, как и прежде сформулировал (Г. Вейль). В результате сформировалась классическая симметрия с основными понятиями симметрии и геометрии природных форм: ось симметрии, плоскость симметрии, центр симметрии. Операции симметрии: двустороннее отражение, повороты фигур вокруг определенных осей, трансляция и т.д. Все элементы симметрии конечных фигур встречаются и на бесконечных.

Позднее сформировалась криволинейная симметрия (гомология), симметрия подобия, многоцветная симметрия. Введено понятие об асимметрии.

Повторяемость видов симметрии в неживой и живой мате­рии. Основные виды классической симметрии в природе: зеркальная (билатеральная), радиально-лучевая, шаровая. Основной закон, объясняющий проявление симметричности природных тел, закон Пьера Кюри: симметрия тела формируется под воздействием симметрии среды (на Земле это, прежде всего, симметрия сил земного тяготения). Наиболее вероятная эволюция форм симметрии: симметрия шара, двусторонняя симметрия, радиально-лучевая.

Симметрия в неживой и живой природе. Идеи Л. Пастера и В.И. Вернадского об отличии симметрии живых организмов от косной материи: преобладание в живой материи либо левых (в аминокислотах), либо правых изомеров (ДНК-РНК) - дисимметрия в живой природе, запрет на наличие пятой оси симмет­рии в неживой материи.

Симметрия в физике – свойство физических законов, детально описывающих поведение систем, оставаться инвариантными (неизмененными) при определенных преобразованиях, которым могут подвергнуться входящие в них величины.

Явные симметрии, непосредственно наблюдаемые, например симметрии пространства и времени или выводимые из за­конов сохранения.

Скрытые симметрии: скрытость симметрии исходной ситуации, возникающая после неустойчивого симметричного состояния.

Принципы и законы симметрии. Пространственно-временные, геометрические или внешние и связанные с ними законы сохранения.

1. Сдвиг времени, т.е. изменение начала отсчета, времени не меняет физических законов. Время однородно. Из инвариантности физических законов относительно этого преобразования вытекает закон сохранения энергии.

2. Сдвиг системы отсчета пространственных координат не меняет физических законов. Однородность пространства. Из этой симметрии вытекает закон сохранения импульса.

3. Поворот системы отсчета пространственных координат оставляет физические законы неизменными. Изотропность пространства. Закон сохра­нения момента импульса.

4. Законы природы одинаковы во всех инерциальных системах отсчета. Принцип относительности. Закон сохранения скорости движения центра масс изолированной системы.

5. Фундаментальные физические законы не изме­няются при обращении знака времени. Все соответствующие процессы в природе обратимы во времени. Необратимость, на­блюдаемая в макромире, имеет статическое происхождение и связана с неравновесным состоянием Вселенной.

6. Зеркальная симметрия природы: отражение пространства в зеркале не меняет физических законов.

7. Замена всех частиц на античастицы (операция зарядового сопряжения) не изменяет характера процессов природы.

Иерархия принципов симметрии в физике. Зеркальная симметрия и зарядовое сопряжение сохраняются только при сильных и электромагнитных взаимодействиях. При слабых взаимодействиях эти симметрии нарушаются.

Внутренние симметрии, специфические свойства элементарных частиц.

1. При всех превращениях элементарных частиц сумма электрических зарядов частиц остается неизменной. Закон сохранения электрического заряда.

2. Закон сохранения бариационного заряда.

3. Закон сохранения лептонного заряда. В современных теориях принимается, что только электрический заряд сохраняется. Барионный и лептонный заряды, возможно, не сохраняются строго, хотя экспери­ментально это не обнаружено.

4. Изотопическая инвариантность: зарядовая независимость сильных взаимодействий. Гейзенберг: протон и нейтрон – два различных состояния нуклона.

5. Симметрия (закон), связанная с сохранением нового кванто­вого числа, – странности. При сильных и электромагнитных взаимодействиях сумма странностей всех частиц остается неизменной.

Теория взаимодействий элементарных частиц развивается благодаря принципам симметрии. Роль принципа симметрии в познании весьма велика, например, из соображений симметрии Дираком были постулированы античастицы, Д.И. Менделеевым сформулирован периодический закон и т.д. Общенаучность принципов симметрии многократно подтверждается в таких научных методах как аналогия, анализ, синтез, моделирование, принцип подобия.

Законы сохранения энергии. Формы энергии. Энергия (от греч.– действие, деятельность) – общая ко­личественная мера движения и взаимодействия всех видов материи, Понятие «энергия» связывает воедино все явления природы.

В соответствии с различными формами движения материи рассматривают и разные формы энергии: тепловую, механическую, внутреннюю, химическую, электромагнитную, ядерную и др. Механическая энергия подразделяется в свою очередь на кинетическую и потенциальную.

Внутренняя энергия равна сумме кинетических энергий хаотического движения молекул относительно центра масс и потенциальных энергий взаимодействия молекул друг с другом.

Химическая энергия складывается из кинетической энергии движения электронов и электрической энергии взаимодействия электронов друг с другом и с атомными ядрами молекул химически веществ. Энергия химических связей для двухатомных молекул – это энергия, требуемая для удаления атомов на бесконечно большое расстояние друг от друга.

В атомной физике используется понятие энергии ионизации. Она равна работе, затрачиваемой на удаление одного внешнего электрона из атома, или ионизационному потенциалу.

В микрофизике широко используется понятие энергии связи. Энергия связи системы каких-либо частиц (например, атома как системы, состоящей из ядра и электронов) равна работе, которую необходимо затратить, чтобы разделить данную систему на составляющие ее частицы и удалить их друг от друга на расстояние, при котором их взаимодействием можно пренебречь.

Энергия связи электронов в атоме или молекуле определяется электромагнитными взаимодействиями и для каждого электрона пропорциональна ионизационному потенциалу. Энергия связи в атомных ядрах определяется сильным взаимодействием нуклонов и, согласно соотношению Эйнштейна ΔЕ = Δтс², пропорциональна дефекту масс атомных ядер Δm. Энергия связи, обусловленная гравитационным взаимодействием, обычно мала и имеет значение лишь для космических объектов.

При переходе системы из одного состояния в другое изменение энергии не зависит от того, каким способом (в результате каких взаимодействий) происходит переход, т.е. энергия – однозначная функция состояния системы. Закон сохранения энергии является строгим законом природы, справедливым для всех известных взаимодействий. Согласно известной теории Э. Нётер, он связан с однородностью времени, т.е. с тем фактом, что все моменты времени эквивалентны и физические законы не меняются со временем.

Закон сохранения энергии для механических процессов был установлен Г. Лейбницем (1686) а для немеханических – в середине XIX в. Ю.Р. Майером (1845), Дж. Джоулем и Г. Гельмгольцем (1847). В термодинамике закон сохранения энергии называется первым началом термодинамики.

На начальном этапе изучения превращения различных форм движения друг в друга исключительную роль сыграл С. Карно, который впервые занялся изучением вопроса превращения теплоты в работу паровых машин.

Поставив задачу, как наиболее экономно использовать топливо в паровых машинах, С. Карно нашел наиболее оптимальные условия работы тепловой машины (цикл Карно), при которых можно добиться максимального коэффициента ее полезного действия. Теорема Карно сыграла в дальнейшем важную роль в установлении одного из фундаментальных законов природы — второго начала термодинамики.

Всеобщий закон сохранения и превращения энергии. Приоритет установления данного закона за тремя учеными. Из них двое немецких ученых – Ю.Р. Майер и Г. Гельмгольц по профессии были врачами, а третий – англичанин Дж. Джоуль – специалистом в области электрических явлений.

Динамические и статистические закономерности в природе. Механическое движение тел подчиняется законам классической механики Ньютона, которые называются динамическими законами, подчеркивается, что движение происходит под действием тех или иных сил. Динамические законы имеют строго однозначный характер всех связей и зависимостей. Зная начальное состояние механической системы, можно однозначно определить ее последующие состояния. Динамические закономерности не допускают какой-либо неопределенности системы.

Система тепловых термодинамических процессов, в отличие от динамической, включает огромное число отдельных элементов (например, полное число молекул газовой системы) требует статистического рассмотрения. Рассматривается не движение каждой молекулы, а лишь вероятностные ее характеристики, используя теорию вероятностей, можно определить усредненные характеристики всей системы и установить статистические закономерности поведения всей системы. Примером тому может служить установление статистической закономерности между температурой газа и кинетической энергией совокупности молекул системы в молекулярно-кинетической теории газа. При статистических закономерностях данное состояние системы определяет все ее последующие состояния не однозначно, а лишь с определенной вероятностью.

В классической термодинамике в основном рассматриваются изолированные системы, которые не обмениваются с внешней средой энергией. Именно для таких систем установлен закон возрастания энтропии. Этот закон имеет простое статистическое толкование. Энтропия изолированной, т.е. предоставленной самой себе системы, не может убывать. С другой стороны, очевидно, что предоставленная самой себе система будет переходить из менее вероятного состояния в более вероятное. Таким образом, энтропия и вероятность состояний изолированной системы ведут себя аналогично: они могут либо возрастать, либо оставаться неизменными.

В последние годы широкое развитие получили исследования в области термодинамики неизолированных, так называемых открытых систем, т.е. систем, которые обмениваются энергией и веществом с внешним миром. Открытыми являются биологические системы, в частности клетка живых организмов. Для таких систем энтропия может как возрастать, так и убывать.

В изолированных системах естественные процессы идут в направлении от упорядоченных структур к неупорядоченным, т.е. от порядка к беспорядку, хаосу. И в этом смысле можно говорить о том, что энтропия есть мера хаоса. Для неизолированных, открытых, систем эволюция, например, живых организмов ведет от менее совершенных форм к более совершенным, от меньшего порядка в природе к большему, и в этих системах энтропия может не увеличиваться, а уменьшаться.

Принцип возрастания энтропии. Понятие энтропии исторически возникло при рассмотрении и изучении тепловых процессов и создании термодинамики. К моменту зарождения термодинамики в естествознании господствовала механика Ньютона, механика обратимых процессов, которые могут идти как в прямом, так и в обратном направлении с так называемым обратимым временем. Например, вращающееся тело проходит при движении одни и те же положения при вращении по часовой стрелке, а затем и против часовой стрелки. Или другой пример: в принципе возможны все механические движения, показанные на кинопленке, при ее прокручивании, как в прямом, так и в обратном направлении. В термодинамике в этом отношении все обстоит иначе.

Французский математик и физик Ж.Б. Фурье установил один из основных законов теплопроводности – односторонний переход теплоты от более нагретого тела к менее нагретому. Именно с этого момента начался выход физики за пределы ньютоновой схемы. При переходе теплоты от более горячего тела к более холодному температуры тел постепенно выравниваются и становятся едиными для обоих тел – наступает состояние термодинамического равновесия. Таким образом, все системы, содержащие различные тела с разной температурой, естественным образом переходят в состояние термодинамического равновесия с одинаковой температурой во всех участках системы. Такие процессы в силу закона Фурье имеют однонаправленность во времени, в связи с чем появилось понятие необратимости времени, «стрелы времени».

Карно установил, что тепловую энергию, которой обладает нагретое тело, непосредственно невозможно превратить в механическую энергию для производства работы. Это можно сделать только в том обязательном случае, если часть тепловой энергии тела с температурой Т₁ передать другому телу с меньшей температурой Т₂ и, следовательно, нагреть его до большей температуры. Иными словами, в механическую энергию для производства работы можно преобразовать только часть тепловой энергии и только при обязательном условии, что в системе такого преобразователя имеется нагре­ватель с температурой Т₁ и охладитель с температурой Т₂, т.е. для производства работы механической системой необходима разность температур Т₁ – Т₂. Все механические системы, использующие тепло, работают «на перепаде температур» между нагревателем и холодильником. Карно выразил эту мысль следующим образом: Возникновение движущей силы обязано в паровых машинах не действительной трате тепла, но его переходу от горячего тела к холодному... Недостаточно создать теплоту, чтобы вызвать появление движущей силы: нужно еще добавить холод; без него теплота стала бы бесполезной. Карно определил ту часть тепловой энергии, которая может быть переведена в производство механической энергии, в производство работы в тепловых машинах, т.е. он нашел значение разности W = Q₁ – Q₂, где W – полученная механическая энергия в процессе преобразования тепловой энергии; Q₁ – полная тепловая энергия, отдаваемая нагретым телом в процессе преобразований энергии; Q₂ – часть тепловой энергии, переданной холодильнику.

Определив разность Q₁-Q₂, Карно нашел максимальное значение коэффициента полезного действия тепловых машин (для так называемого идеального цикла Карно), которое оказалось равным .Из приведенного соотношения следует, что коэффициент полезного действия (кпд) тепловой машины определяется только значениями Т₁ и Т₂.

Р.Ю. Клаузиус ввел важнейшее понятие – энтропию. Из термодинамического понятия оно сначала перешло в другие разделы физики – механику, электричество, магнетизм, оптику, а затем в смежные науки – химию, информатику, биологию, и сейчас стало одним из важнейших понятий современного естествознания наряду с таким, например, понятием, как энергия.

Энтропия (от греч. – поворот, превращение) – функция состояния термодинамической системы, изменение которой dS в равновесном процессе равно отношению количества теплоты dQ, сообщенного системе или отведенного от нее, к термодинамической температуре Т системы.

Отношение Клаузиус обозначил буквойS и назвал энтропией, что в переводе с древнегреческого означает «обращение», «превращение», «поворот». Таким образом, по мысли Клаузиуса, энтропия характеризует превратимость, превращение.

Итак, для циклических обратимых процессов т.е. выполняется закон сохранения энтропии: S₁ = S₂. Иными словами, в таких процессах холодное тело поглощает столько же энтропии, сколько и выделяется нагретым телом. Реально же все процессы теплопередачи являются необратимыми, и при передаче количества тепла Q от горячего тела (с температурой Т₁,) к холодному (с температурой Т₂) энтропия S₁ = всегда будет меньше энтропии S₂ = в силу того, что Т₁ > Т₂ и, следовательно, изменение энтропии ΔS = S₂ – S₁ всегда положительно. То есть в реальных процессах энтропия термодинамической системы будет возрастать.

Исследование энтропии в дифференциальной форме показало, что dS является полным дифференциалом, и, следовательно, энтропия не зависит от вида физического процесса, а определяется только состоянием системы. Поэтому энтропия является функцией состояния.

Кроме того, оказалось, что с помощью энтропии удобно исследовать не только тепловые процессы, но и рассматривать процессы преобразования других видов энергии в тепловую. Так, механическая энергия в результате трения переходит в тепловую, электрический ток нагревает проводники тока, электромагнитное поле – среду, через которую оно распространяется, и т.д., т.е. все естественные процессы, в конечном счете, ведут к превращению всех видов энергии в тепловую. Постепенно возникло представление о качестве разных видов энергии и ее деградации с точки зрения качества. Под качеством энергии понимается возможность использования того или иного вида энергии для производства полезной работы.

Принята следующая иерархия качества энергии в указанном смысле: ядерная, электромагнитная, химическая, механическая и тепловая энергии. При этом каждому виду энергии соответствует свое значение энтропии. Оно имеет минимальное значение для энергии высокого качества и возрастает при превращении всех видов энергии в тепловую и переходу системы в термодинамическое равновесие, при котором энтропия достигает максимальной величины.

В связи с этим значение энтропии («превращения») характеризует меру обесценивания энергии. Там, где происходят процессы изменения и преобразования энергии, следует «ее тень – энтропия».

При плавлении и испарении происходит изменение энтропии систем. Термодинамические основы растворения одних веществ в других также требуют знания энтропии. Возрастание растворимости веществ с повышением температуры, расслоение бензина на поверхности воды также связаны с возрастанием энтропии. Изменение энтропии выталкивает молекулы углеводородов из водного окружения. Изменение энтропии выступает в роли действующей силы, гидрофобной. Вещества, которые выталкиваются ею из воды, называются гидрофобными, в отличие от гидрофильных веществ вроде спирта, которые полностью растворяются в воде. Следствия гидрофобных энтропийных сил, – это строение белков – веществ, определяющих протекание всех жизненных процессов. Э. Шрёдингер выразил значение энтропии для биологических систем в высказывании: «Живой организм питается отрицательной энтропией». Широкое применение получила энтропия в информатике, в частности, для расчетов пропускной способности различных линий связи и систем передачи информации.

Основные космологические теории эволюции Вселенной. Учение о мегамире как едином целом и всей охваченной астрономическими наблюдениями области Вселенной (Метагалактике) называется космологией.

Выводы космологии основываются на законах физики и астрономии. Построенные в соответствии с космологическими теориями модели должны допускать проверку для наблюдаемой области Вселенной, выводы теории – подтверждаться наблюдениями теория – предсказывать новые явления. В конце XX в. этому требованию наилучшим образом удовлетворяли разработанные на основе общей теории относительности одно

родные изотропные модели нестационарной «горячей» Вселенной.

Возникновение современной космологии связано с созданием релятивистской теории тяготения А. Эйнштейном (1916) и зарождением внегалактической астрономии (начиная с 20-х гг. XX в.). На первом этапе развития релятивистской космологии главное внимание уделялось геометрии Вселенной кривизна четырехмерного пространства-времени и возможная замкнутость Вселенной.

Начало второго этапа можно датировать работами А.А. Фридмана, который в 1922–24 гг. доказал, что Вселенная, заполненная тяготеющим веществом, не может быть стационарной – она должна расширяться или сжиматься; но эти принципиально новые результаты получили признание лишь после открытия красного смещения (эффекта «разбегания» галактик) астрономом Э. Хабблом (1929). В результате на первый план выступили проблемы механики Вселенной и ее «возраста» (длительности расширения).

Третий этап в развитии космологии связан с моделями «горячей» Вселенной (Г. Гамов, вторая половина 40-х гг.), в которых основное внимание переносится на физику Вселенной – состояние вещества и физические процессы, идущие на разных стадиях расширения Вселенной, включая наиболее ранние стадии, когда состояние было необычным. В основе теории уравнения А. Эйнштейна общей теории относительности, из них следуют наличие кривизны пространства-времени и связь кривизны с плотностью вещества. Космологические уравнения допускают существование двух моделей. В одной из кривизна трехмерного пространства отрицательна или (в пределе) равна нулю. Вселенная бесконечна (открытая модель). В такой модели расстояния между скоплениями галактик со временем неограниченно возрастают. В другой модели кривизна пространства положительна, Вселенная конечна (но столь же безгранична, как и в открытой модели). В такой (замкнутой) модели расширение со временем сменяется сжатием. В ходе эволюции Вселенной кривизна трехмерного пространства уменьшается при расширении, увеличивается при сжатии, но знак кривизны не меняется, т.е. открытая модель остается открытой, замкнутая – замкнутой. Начальные стадий эволюции по обеим моделям совершенно одинаковы: должно было существовать особое начальное состояние – сингулярность с огромной плотностью массы и кривизной пространства и взрывное, замедляющееся со временем расширение.

Из космологических уравнений следует, что равная нулю кривизна пространства может иметь место только при строго определенной критической плотности ρ_кр.

Если , то мир замкнут, примир является открытым. Два указанных исходных положения достаточны для суждений об общем характере эволюции Вселенной, но они оставляют открытым вопрос о ее начальном состоянии.

С 60–70-х гг. XX в. стала общепринятой модель «горячей» Вселенной (предполагается высокая первоначальная температура). В условиях очень высокой температуры (Т > 10¹³ К) существовала лишь равновесная смесь различных элементарных частиц (включая фотоны и нейтрино). Можно рассчитать состав такой смеси при разных температурах Т, соответствующих последовательным этапам эволюции, найти закон расширения однородной и изотропной Вселенной и изменение ее физических параметров в процессе расширения.

Согласно этому закону во Вселенной в момент с должны были существовать фотоны, электроны, позитроны, нейтрино, антинейтрино, а также большая примесь нуклонов (протонов и нейтронов). В результате последующих превращений к моментумин из нуклонов образовалась смесь легких ядер (2/3 водорода и 1/3 гелия по массе; все остальные химические элементы синтезировались из этого дозвездного вещества, причем намного позднее, в результате ядерных реакций в недрах звезд). В момент образования нейтральных атомов гелия и водорода (рекомбинация нуклонов и электронов в атомы произошла прилет) вещество становилось прозрачным для оставшихся фотонов, и они должны наблюдаться в настоящее время в видереликтового излучения, свойства которого можно предсказать на основе теории «горячей» Вселенной.

Наибольшее принципиальное значение этой теории имеют выводы о нестационарности (расширении) Вселенной, о высоких зна­чениях плотности и температуры в начале расширения («горячая» Вселенная) и об искривленности пространства-времени.

Вывод о нестационарности надежно подтвержден космологическим красным смешением, обнаруженным Э. Хабблом в 1929 г.: наблюдаемая область Вселенной расширяется, и это расширение длится, по меньшей мере, 15—20 млрд. лет. Столь же основательное подтвер­ждение нашла и концепция «горячей» Вселенной: в (1965) американскими физиками А.А. Пензиасом и Р.В. Вильсоном было открыто реликтовое излучение, которое оказалось изотропным, а спектр его – равновесным с Т = 3 К.

Что касается плотности вещества, то астрономические наблюде­ния приводят к значениям усредненной плотности вещества, входящего в видимые галактики, г/см³. Определить плот­ность скрытого (невидимого) вещества, а тем более плотность, создаваемую нейтрино (если масса нейтрино не равна нулю), гораз­до труднее, и неопределенность суммарной плотности из-за этого весьма велика. На основе имеющихся наблюдательных данных (10^–31 < ρ < 10^–29 г/см³) нельзя сделать окончательного выбора между открытой (расширяющейся безгранично) и замкнутой (расширение в далеком будущем сменится сжатием) моделями. Эта неопределенность никак не сказывается на общем характере прошлого и современного расширения, но влияет на возраст Вселенной (длительность расширения).

Модель расширяющейся Вселенной. Вселенная – место вселения человека, доступное эмпирическому наблюдению. Постепенное сужение научного значения термина Вселенная вполне понятно, так к естествознание, в отличие от философии, имеет дело только с тем, что эмпирически проверяемо современными научными методами. Вселенную в целом изучает наука, называемая космологией, т. е. наукой о космосе. Космология, в основе своей открывает упорядоченность нашего мира и нацелена на поиск законов его функционирования. Открытие этих законов есть цель изучения Вселенной как единого целого.

Все законы и научные теории являются моделями, поскольку они могут быть заменены в процессе развития науки другими концепциями.

Наиболее общепринятой в космологии является модель однородной изотропной нестационарной горячей расширяющейся Вселенной, созданной А. Эйнштейном в 1916 году. В основе этой модели лежат два предположения: свойства Вселенной одинаковы во всех ее точках и направлениях; наилучшим известным описанием гравитационного поля являются уравнение Эйнштейна. Из этого следует кривизна пространства и связь кривизны с плотностью массы (энергии). Важным пунктом данной модели является ее нестационарность. Это определяется двумя постулатами теории относительности: принципом относительности, гласящим, что во всех инерционных системах выполняются все законы сохранения вне зависимости от того, с какими скоростями, равномерно прямолинейно движутся эти системы друг относительно друга; экспериментально подтвержденным постоянством скорости света.

Красное смещение – это понижение частот электромагнитного излучения: в видимой части спектра линии смещаются к его красному концу. При излучении происходит «покраснение», т. е. линии спектра сдвигаются в сторону более длинных (красных) волн. Для всех далеких источников света красное смещение было зафиксировано, причем, чем дальше находился источник, тем в большей степени. Красное смещение оказалось пропорционально расстоянию до источника, что и подтверждало гипотезу об удалении их, т. е. о расширении Метагалактики – видимой части Вселенной. Составной частью модели расширяющейся Вселенной является представление Большом Взрыве, происшедшем где-то примерно 12 –18 млрд. лет назад, по обоснованным оценкам, 13 млрд. лет.

Современная квантовая механика допускает (это не противоречит теории), что вакуум может приходить в «возбужденное состояние», вследствие чего в нем может образоваться поле, а из него (что подтверждается современными физическими экспериментами) – вещество. Рождение Вселенной «из ничего» означает с современной научной точки зрения самопроизвольное возникновение из вакуума, когда в отсутствии частиц происходит случайная флуктуация, которая представляет собой появление виртуальных частиц, которые непрерывно рождаются и сразу же уничтожаются, но так же участвуют во взаимодействиях, как и реальные частицы. Благодаря флуктуациям, вакуум приобретает особые свойства, проявляющиеся в наблюдаемых эффектах.

После Большого Взрыва образовался сгусток плазмы «состояния, в котором находятся элементарные частицы» нечто среднее между твердым и жидким состоянием, который и начал расширяться все больше и больше под действием взрывной волны.

Лекция 7. ХИМИЧЕСКИЕ КОНЦЕПЦИИ ОПИСАНИЯ ПРИРОДЫ

Химия – наука о веществах и процессах их превращения, сопровождающие изменением состава и структуры.

Основанием химии выступает проблема получения веществ с заданными свойствами (производственная задача) и выявление способов управления свойствами веществ (научная задача). Свойства веществ зависят от: элементарного и молекулярного состава; структуры молекулы; термодинамических и кинетических условий процесса химической реакции; уровня химической организации вещества.

Концептуальные этапы получения знаний по химии можно представить следующим образом: XVII – учение о составе вещества; середина XIX в. – учение о структуре вещества; конец XIX в. – учение о химических процессах; середина XX в. – учение о химической эволюции.

Четыре способа решения основной проблемы химии:

Первый уровень научных химических знаний, продолжающийся с работ Р. Бойля (1660-е годы) до 1820-1830-х годов: свойства вещества определяются его составом. Химический элемент и химическое соединение. Дальтониды – химическое вещество молекулярного строения и бертоллиды – соединения немолекулярного строения. Вовлечение новых химических элементов в производство материалов. Синтез новых элементоорганических соединений, например фторорганических, обла­дающих исключительной устойчивостью.

Второй уровень развития химических знаний (середина XIX века): свойства вещества и их качественное разнообразие обуславливаются составом и структурой молекул. Возникновение структурной химии: работы Д. Дальтона, И.Я. Берцелиуса, Ш. Жерара, А. Кекуле, A.M. Бутлерова. Триумфальный марш органического синтеза. Пределы и проблемы структурной органической химии.

Третий уровень химических знаний (середина XX века): учение о химических процессах и механизмах изменения вещества. Свойства вещества зависят от термодинамических и кине­тических условий, в которых вещество находится в процессе химической реакции. Учение о химических процессах – область науки, где осуществляется глубокое взаимопроникновение физики, химии и биологии. Химическое производство синтетиче­ских материалов.

Принципиальная обратимость всех химических реакций. Законы Я. Вант-Гоффа и А. Ле-Шателье. Зависимость хода хи­мических процессов от структурно-кинетических факторов: от строения исходных реагентов, концентрации, наличия катали­заторов и др. Проблемы катализа химических реакций и реше­ние задачи химического преобразования ядерной и солнечной энергии.

Химия экстремальных состояний, высокотемпературный синтез. Четвертый уровень химических знаний (с 1970-х годов): свойства вещества зависят от высоты химической организации вещества. Биологизация химии – возникновение эволюционной химии. Основа лаборатории живого организма – биокатализ. Подражание живой природе – химия будущего. Создание катализаторов по принципу ферментов. Изучение брожения – один из первых опытов изучения химии живой природы. Пути освоения каталитического опыта живой природы: ис­следование в области металлокомплексного катализа, моделирование биокатализаторов, исследования в области иммобилизованных систем, применение принципов биокатализа в химической технологии.

Развитие учения о составе вещества. Демокрит и Эпикур считали, что все тела состоят из атомов различной величины и формы, чем и объясняли различие тел.

Аристотель и Эмпедокл видимое разнообразие тел природы объясняли посредством сочетания в те­лах различных стихий: тепла и холода, сухости и влажности. Переход одних веществ в другие, связанный с появлением их новых специфических свойств и «форм». В эпоху эллинизма (до н.э.) возникло учение о «трансмутации» (превращении), согласно которому можно, изменяя сочетание элементов, получать вещество с иными свойствами. Так, пытались получить золото из более распространенных металлов – ртути, свинца и др. Главной целью алхимия считала поиски «философского камня» для превращения неблагородных металлов в благородные, получение эликсира долголетия, универсального растворителя и др.

В VIII в. широкое распространение в Западной Европе получила «ртутно-серной» теории алхимиков, согласно которой вначале образуется «сера» из огня из воздуха и «ртуть» из земли и воды, а уже из них получаются различные металлы.

Т. Парацельс, в отличие от алхимиков, подчеркнул вещественный характер трех начал: «серы» – начала горючести, «ртути» – начала летучести, «соли» – начала огнепостоянства. Он ставит задачу исследовать свойства веществ и найти новые соединения с более полезными для медицинских целей свойствами, чтобы помогать человеку от болезней, успешно применял препараты ртути против сифилиса. Вскоре медицинскую химию (иатрохимию) стали преподавать на медицинских факультетах университетов.

Научное изучение химических явлений начинается в 1600 г. с работ Р. Бойля. Он создает теорию, по которой окружающий нас мир построен из мельчайших частичек – корпускул, различных по размерам, форме и массе. Они, объединяясь и разъединяясь, образуют качественно различные тела – «структурные формы вещества», среди этих тел вода, земля, железо, ртуть. При получении химических элементов как «простых тел» пользовались универсальным по тому времени методом разложения «сложных тел» – прокаливанием.

Изучение процессов горения привело к появлению первой, хотя она и оказалась ложной, научной теории в химии – теории флогистона, основатель этой теории Г. Шталь. Наблюдая за процессом плавки металлов, например олова, он заметил, что часть металла теряется в виде окалины («извести», как тогда называли), но при соприкосновении с древесным углем вновь превращается в олово. Шталь сделал вывод о том, что уголь участвует в реакции, и предположил, что в угле содержится вещество, которое превращает «известь» в металл. Позже это вещество было названо флогистоном. При всех огромных недостатках теории флогистона (путаница в понятии простого и сложного вещества), впервые были разработаны научные представления о реакциях окисления-восстановления.

Основатель научной химии М.В. Ломоносов в 1756 г. сформулировал один из основопо­лагающих, действующих и по сей день законов естествознания – закон сохранения массы материи: масса веществ, вступивших в реакцию равна массе веществ, образовавшихся в результате реакции. «Все перемены, в натуре случающиеся, такого суть состояния, что, сколько чего от одного тела отнимется, столько присовокупится к другому; так если где убудет несколько материи, то умножится в другом месте. Сей всеобщий закон простирается и в самые правила движения; ибо тело, движущее своей силой другое тело, столько же оныя у себя теряет, сколько сообщает другому, которое от него движение получает».

Гипотеза флогистона была опровергнута А. Лавуазье после открытия кислорода и установлении его роли в процессах горения и окисления. Так, явление обжига металлов и горение стали рассматривать как процессы соединения элемента с кислородом, а не как процесс разложения «сложного вещества» на элемент и флогистон. Это была настоящая революция в химии. Лавуазье впервые разделил вещества на простые вещества (химические элементы) и химические соединения.

В 1869г. Д.И. Менделеев систематизировал известных тогда 62 элементов на основании их атомного веса и представил это в виде таблицы, которая и получила название «Периодическая таблица Менделеева». Периодический закон, сформулированный Менделеевым, гласит: «Физические и химические свойства элементов, проявляющиеся в свойствах простых и сложных тел ими образованных, состоят в периодической зависимости от их атомного веса».

Современная формулировка периодического закона: свойства химических элементов, а также формы и свойства их соединений находятся в периодической зависимости от величины положительного заряда ядра их атомов.

В этой таблице ярко выявлена периодичность изменения свойств элементов с увеличением их сложности в каждом новом периоде. Систематизация элементов, выполненная Менделеевым, оказала основополагающее влияние на дальнейшее развитие химических исследований. На основании выявленных общностей он предсказал существование неизвестных элементов, оставив для них вакантные места в периодической таблице. Впоследствии эти элементы были открыты и свойства их оказались такими, какие предсказал Менделеев.

В настоящее время доказано, что атом является сложной делимой субъединицей вещества. Вся масса атома сосредоточена в его ядре (~10^–13 см). Ядро атома состоит из протонов (р), несущих положительный заряд (+1) и обладающих массой. Заряд ядра равен порядковому номеру элемента. Вок­руг ядра по орбиталям вращаются электроны (е) – частицы с зарядом –1. Количество электронов равно количеству протонов, атом в целом электронейтрален. Ядро атома кроме протонов содержит нейтроны (n) – частицы, не имеющие заряда, но обладающие массой.

Пример строения хлора (С): порядковый номер 17, а атомная масса 37, число электронов 17, ядро содержит 17 протонов и 20 электронов.

Ядра элементов могут содержать различное количество нейтронов, так есть атомы хлора, обладающие атомной массой 37 и 35, их ядра содержат 20 и 18 нейтронов соответственно – это так называемые изотопы (³⁷Сl, ³⁵Сl).

Изотопы – атомы с одинаковым зарядом ядра (и соответственно химическими свойства), но разным числом нейтронов.

Химический элемент – вид атомов с одинаковым зарядом ядра, т. е. это совокупность изотопов.

С начала ХIХ в. активно обсуждался вопрос о том, что относится к химическим соединениям, а что к смесям.

Ж. Пруст сформулировал закон постоянства состава: любое индивидуальное химическое соединение обладает строго определенным неизменным составом, «прочным притяжением составных частей» (атомов) и тем отличается от смесей.

С позиций атомно-молекулярного учения данный закон был обоснован химиком Д. Дальтоном; он, что все простые и сложные индивидуальные вещества состоят из мельчайших частиц – молекул, которые в свою очередь образованы из атомов химических элементов. Так, молекулы простых веществ – водорода (Н₂), кислорода (О₂), озо­на (О₃), – образованные из атомов одного элемента. Молекулы сложных веществ образованы из разных атомов.

К. Бертолле утверждал возможность существо­вания индивидуальных химических соединений переменного состава с непрерывным изменением. Так, интерметаллические соединения, состоящие из 2 металлов: цинк-сурьма, магний-серебро и др. образуют соединения, как с постоянным, так и с переменным составом. Н.С. Курнаков первые из них назвал дальтонидами в честь Ж. Дальтона, а вторые – бертоллидами в честь К. Бертолле.

Молекула – наименьшая частица вещества, обладающая его химическими свойства и состоящая их одинаковых или разных атомов. В состав молекул входят атомы. Большинство неорганических веществ не имеют молекулярного строения.

Атом – наименьшая частица химического элемента, носитель его свойств.

Химическое соединение – определенное вещество, состоящее из одного или нескольких химических элементов, атомы которых химической связью объединены в частицы – молекулы, комплексы, монокристаллы или иные агрегаты.

Развитие учения о структуре молекул. При взаимодействии атомов между ними может возникнуть химическая связь, приводящая к образованию многоатомной системы – молекулы, молекулярного иона или кристалла.

Химическая связь – взаимодействие атомов, обусловленное перекрытием электронных облаков связывающихся частиц, которое сопровождается уменьшением полной энергии системы.

Й. Берцелиус в 1830 г. выдвинул гипотезу: все атомы разных элементов обладают различной электроотрицательностью, причем атом каждого элемента несет два заряда (положительный + и отрицательный –). Объединение атомов в молекулы происходит за счет взаимодействия разноименно заряженных атомов или атомных групп, что сопровождается частичной нейтрализацией зарядов. Например, калий (К) несет положительный заряд, а кислород (О) – отрицательный, взаимодействуя, они образуют оксид. Однако, теория Берцеллиуса, основанная на электростатическом взаимодействии зарядов, не могла объяснить образование молекул из двух одинаково заряженных атомов, например, молекулы О₂.

В 1916 г. Дж. Льюис высказал предположение, что химическая связь возникает путем образования электронной пары, одновременно принадлежащей двум атомам – эта идея послужила основой для разработки современной теории ковалентной связи. В том же году В. Коссель предположил, что химическая связь возникает при взаимодействии двух атомов, один из них отдает электроны, превращаясь в положительно заряженный ион (катион), а второй атом принимает электрон, превращаясь в отрицательно заряженный ион (анион). Дальнейшее развитие идей Косселя привело к созданию представлений об ионной связи.

Ковалентная связь – химическая связь между атомами, осуществляемая обобществляемыми электронами. Ковалентная связь между одинаковыми атомами называется неполярной (Н· + ·Н® Н : Н или Н – Н). Ковалентная связь возникающая при взаимодействии атомов разных элементов называется полярной, при этом общая электронная пара (или электронные пары) несколько смещаются в сторону более полярного атома (H – Cl, С≡O).

Ионная связь – химическая связь, осуществляемая за счет электростатического притяжения образовавшихся разноименных ионов (Na⁺ Cl^–, NH₄⁺ OH^–).

Металлическая связь – многоцентровая химическая связь с дефицитом электронов в твердом или жидком состоянии, основанная на обобществлении внешних электронных атомов. Металлическая связь характерна только для конденсированного состояния вещества в жидкости или твердом веществе.

Электрически нейтральные атомы и молекулы способны к дополнительному взаимодействию друг с другом: водородная связь – химическая связь, осуществляемая между положительно поляризованным атомом водорода и отрицательно поляризованным атомом F, O и N (реже Cl, S и др.), принадлежащих другой или той же молекуле (НF … HF, Н₂О … Н₂О).

Ф. Кекуле сформулировал теорию валентности – каждый атом обладает определенной способностью к насыщению, т.е. валентностью, или числом единицсродства. Благодаря этому появилась возможность составлять так называемыеструктурные формулы. При написании в любой формуле элементы связывают друг с другом согласно их валентности.

Позже А.М. Бутлеров разработал теорию строения органических соединений:

1. Атомы в молекулах соединены химическими связями согласно их валентности в определенном порядке.

2. Атомы и группы атомов, соединенные в молекуле, оказывают взаимное влияние.

3. Химическое строение вещества определяет его свойства.

4. Изучая химические превращения вещества, можно установить строение вещества и выразить его одной единственной структурной формулой.

Теория Бутлерова явилась фундаментом для развития органической химии.

Развитие учения о химических процессах. Химические реакции – взаимодействие между атомами и молекулами, приводящее к образованию новых веществ, отличных от исходных по химическому составу или строению. Химические реакции в отличие от ядерных не изменяют ни общего числа атомов в системе, ни изотопного состава элементов. Методы управления химической реакцией можно разделить на термодинамические и кинетические, среди последних ведущую роль выполняют каталитические процессы.

Химическая термодинамика отвечает на вопросы о принципиальной возможности протекания данной химической реакции в определенных условиях и о конечном равновесном состоянии системы.

Система – совокупность тел, выделенная из пространства. Если в системе возможен массо- и теплообмен между всеми ее составными частями, то такая система называется термодинамической. Химическая система, в которой возможно протекание реакций, представляет собой частный случай термодинамической. Если между системой и окружающей средой отсутствует массо- и теплообмен, то такая система называется изолированной. Если отсутствует массообмен, но возможен теплообмен, то система называется закрытой. Если же между системой и окружающей средой возможен и массо-, и теплообмен, то система открытая. Система, состоящая из нескольких фаз, называется гетерогенной, однофазная система – гомогенной.

Состояние химической системы определяется свойствами: температура, давление, концентрация, объем, энергия.

Реакции, протекающие в гомогенной системе, развиваются во всем ее объеме и называются гомогенными. Реакции, происходящие на границе раздела фаз – гетерогенными.

Для термодинамического описания системы пользуются так называемыми функциями состояния системы – это любая физическая величина, значения которой однозначно определяются термодинамическими свойствами системы. К важнейшим функциям состояния системы относятся: полная энергия системы (Е); внутренняя энергия системы (U); энтальпия (или теплосодержание) – это мера энергии, накапливаемая веществом при его образовании (Н): Н = U + р∙V; энтропия – мера неупорядоченности системы (S); энергия Гиббса – мера устойчивости системы при постоянном давлении (G): ∆G = ∆H – T∙∆S; энергия Гельмгольца – мера устойчивости системы при постоянном объеме (F): ∆F = ∆U – T∙∆S.

Судить о возможности самопроизвольного протекания процесса можно по знаку изменения функции свободной энергии Гиббса: если ∆G < 0, т.е. в процессе взаимодействия происходит уменьшение свободной энергии, то процесс термодинамически возможен. Если ∆G > 0, то протекание процесса невозможно. Таким образом, все процессы могут самопроизвольно протекать в сторону уменьшения свободной энергии.

Химическое взаимодействие, как правило, сопровождается тепловым эффектом. Процессы, протекающие с выделением теплоты, называются экзотермическими (∆Н < 0), а идущие с поглощением теплоты – эндотермическими (∆Н > 0).

Тепловой эффект химических процессов в изобарных условиях определяется изменением энтальпии, т.е. разницей энтальпий конечного и исходного состояний. Согласно, закону Лавуазье-Лапласа: теплота, выделяющаяся при образовании вещества, равна теплоте, поглощаемой при разложении такого же его количества на исходные составные части.

Более глубокие обобщения термохимических закономерностей дает закон Гесса: тепловой эффект химических реакций, протекающих или при постоянном давлении, или при постоянном объеме, не зависит от числа промежуточных стадий, а определяется лишь начальным и конечным состояниями системы.

I закон термодинамики (закон сохранения энергии) – энергия не исчезает и не возникает вновь из ничего при протекании процесса, она лишь может переходить из одной формы в другую в строго эквивалентных отношениях.

II закон термодинамики – при протекании процесса в изолированной системе обратимых процессов энтропия остается неизменной, а при необратимых процессах увеличивается.

Реакционная способность веществ. Химическая кинетика – раздел химии, изучающий закономерности протекания физико-химических процессов во времени и механизмы взаимодействия на атомно-молекулярном уровне. Химическая кинетика рассматривает зависимость скорости химической реакции от концентрации реагентов, температуры, свойств среды, электромагнитного излучения и других факторов. Скорость химической реакции (v) – изменение концентрации (С) реагирующих веществ или продуктов реакции в единицу време­ни (τ) в единице объема системы (для гомогенной реакции) или на единицу площади поверхности раздела фаз (для гетерогенной реакции). v = ∆С / ∆τ.

Зависимость скорости химических реакций от концентраций реагирующих веществ легко понять исходя из молекулярно-кинетических представлений. Молекулы газов, двигаясь в различных направлениях с довольно большой скоростью, неизбежно должны встречаться, сталкиваться друг с другом. Взаимодействие между молекулами, очевидно, может происходить только при их столкновениях, следовательно, чем чаще будут сталкиваться молекулы, тем быстрее будет идти превращение исходных веществ в новые и тем больше будет скорость реакции.

К. Гульдберг и П. Вааге в 1867 г. сформулировали закон действующих масс: при постоянной температуре скорость химической реакции прямо пропорциональна произведению концентрации реагирующих веществ.

Скорость гомогенной химической реакции измеряется изменением концентрации реагирующих веществ в единицу времени. Так, для гомогенной реакции типа А + 2В → АВ₂ закон действующих масс выражается следующим образом: v = k∙[A]∙[В]² где [A] и [В] – концентрации вступающих в реакции веществ, k – константа скорости реакции, зависящая от природы реагирующих веществ.

При гетерогенных реакциях концентрации веществ, находящихся в твердой фазе, обычно не изменяются в ходе реакции и поэтому не включаются в уравнение закона действующих масс.

Скорость всякой реакции непрерывно уменьшается с течение времени, так как взаимодействующие вещества постепенно расходуются и концентрации их уменьшаются. Поэтому, говоря о скорости реакции, всегда имеют в виду скорость в данный момент, т.е. то количество вещества, которое подверглось бы превращению, если бы существующие в данный момент концентрации поддерживались искусственно в течение определенного промежутка времени.

Зависимость скорости химической реакции от температуры выражается правилом Вант-Гоффа: при повышении температуры на 10°С скорость большинства реакций возрастает в 2–4 раза.

Отношение константы скорости при температуре t + 10° к константе при температуре t называется температурным коэффициентом скорости (γ).

В общем случае, если температура изменилась на ∆t°, уравнение зависимости скорости реакции от температуры имеет вид: v_t+∆t / v_t = γ^∆t/10

Так, если температурный коэффициент скорости реакции равен 3, то, во сколько возрастет скорость реакции при повышении температуры от 20 до 60 °С? Поскольку ∆t = 60 – 20 = 40 °С, то, обозначив соответственно скорость реакции при 20 и 60 °С соответственно через v и v´, можем записать изменения скорости реакции: v´ / v = 3^40/10 = 3⁴ = 81 раз. Сильное возрастание скорости реакции при повышении температуры связано с резким возрастанием числа активных частиц и числа активных столкновений.

Зависимость скорости химической реакции от присутствия катализаторов и ингибиторов – веществ, которые изменяют скорость реакции, но сами в результате реакции остается в химически неизменном состоянии и не расходуется. Вещества, ускоряющие реакцию, называются катализаторами, а замедляющие – ингибиторами. Иногда применение катализаторов может увеличить скорость реакции в 1000 и более раз.

Катализ – изменение скорости химической реакции в присутствии катализаторов. Скорость химической реакции возрастает в присутствии катализатора, в связи с понижением энергия акти­вации реакции через образование нестойких промежуточных соединений – активных комплексов. Процесс, идущий с образованием активного комплекса кинетически более выгоден, т.к. требуется меньшей затраты энергии.

Нередко один из продуктов реакции служит катализатором, ускоряющим эту реакцию. Такого рода реакции, называются автокаталитическими. Например, кислота, образующаяся при гидролизе эфиров, катализирует этот гидролиз. Скорость автокаталитических реакций в течение некоторого времени (период индукции) мала, но по мере накопления продукта – катализатора, растет, достигает максимума и снова уменьшается вследствие расхода исходного вещества. В таких реакциях возможно протекание явлений самоорганизации, приводящее к образованию пространственных и пространственно-временных диссипативных структур.

Ярким примером автокаталитического процесса является гомогенная периодическая химическая реакция окисления лимонной кислоты смесью бромата калия КВrО₃ и сульфата церия Се(SО₄)₂, открытая и исследованная русскими химиками Белоусовым и Жиботинским в 1951 г. Смесь этих веществ, растворенная в разбавленной серной кислоте, дает реакцию восстановления церия: Се⁴⁺(синего цвета)→Се³⁺(красного цвета), а затем, когда свободный ион брома расходуется (выступает как ингибитор окисления церия), проте­кает обратная реакция окисления: Се³⁺→ Се⁴⁺. В результате возникает система, которая с идеальной периодичностью изменяет свой цвет с синего на красный и наоборот. Эти колебания можно рассматривать как химические часы, а саму систему как самоорганизующуюся. Начиная с некоторого момента числа колебаний системы, спонтанно возникают неоднородности концентрации и образуются устойчивые красные и синие слои.

Химическое равновесие. Принцип Ле Шателье. Многие химические реакции протекают таким образом, что исходные вещества целиком превращаются в продукты реакции или, как говорят, реакция идет до конца. Так, например, бертолетова соль при нагревании вся без остатка превращается в хлористый калий и кислород: 2КСlО₃ = 2КСl + 3О_{2 .}Обратное получение бертолетовой соли из хлористого калия и кислорода оказывается невозможным. Такого рода реакции называются практически необратимыми, или односторонними.

Процессы, которые при одних и тех же условиях могут идти как в ту, так и в другую сторону, называются обратимыми, или двусторонними.

Чтобы показать, что химический процесс обратим, в уравнении реакции заменяют знак равенства двумя стрелками, направленными в противоположные стороны:

Fe₃O₄ + 4Н₂ 3Fe + 4Н₂О

Реакцию, протекающую в направлении слева направо, принято называть прямой, противоположную реакцию – обратной.

Характерная особенность обратимых реакций заключается им, что они не доходят до конца, если продукты реакции не удаляются из сферы взаимодействия (например, при реакциях между газами в закрытом сосуде). Исходные вещества, если даже они были и взяты в эквивалентных количествах, никогда не расходуются полностью на образование продуктов реакции. Реакция идет лишь до известного предела и затем как бы останавливается.

Если реакция обратима, т.е. она может протекать как в прямом, так и обратном направлениях, то с течением времени скорость обратной реакции будет возрастать, когда скорости прямой и обратной реакции становятся одинаковыми, наступает состояние химического равновесия. N₂(г) + 3H₂(г)2NH₃(г)

Установившееся между данными веществами химическое равновесие может сохраняться при неизменных условиях как угодно долго, но при изменении условий протекания реакции (температуры, давления, концентрации участвующих в реакции веществ), скорости прямого и обратного процессов изменяются неодинаково, и химическое равновесие нарушается. Направление этого смещения подчиняется принципу Ле Шателье: при всяком внешнем воздействии на систему, находящуюся в состоянии химического равновесия, в ней протекают процессы, приводящие к уменьшению этого воздействия.

Так, повышение температуры приводит к смещению равновесия в направлении реакции, сопровождающейся поглощением теплоты, т. е. охлаждением системы; повышение давления вызывает смещение равновесия в направлении уменьшения общего числа молей газообразных веществ, т.е. в направлении, приводящем к понижению давления; удаление из системы одного из продуктов реакции ведет к смещению равновесия в сторону прямой реакции; уменьшение концентрации одного из исходных веществ приводит к сдвигу равновесия в направлении обратной реакции.

Развитие представлений об эволюционной химии. Эволюционная химия рассматривает вопросы эволюционного развития и совершенствования химической формы материи, в том числе в процессах ее самоорганизации до перехода в биологическую форму.

Из известных в настоящее время 112 химических элементов большинство принимают участие в жизнедеятель­ности живых организмов. Однако основу живых систем составляют только 4 элемент (98%) – углерод, водород, кислород, азот – макроэлементы. К микроэлементам относятся магний, натрий, калий, кальций, железо, калий, сера, фосфор, хлор; в сумме они составляют около 2-3%. К группе ультрамикроэлементов относят цинк, медь, йод, фтор, марганец, кобальт, кремний и др. (суммарное содержание порядка 0,1%). Из известных се­годня более 20 млн. химических соединений, основная доля приходится на долю органических вещества.

Химическая эволюция среди огромного количества соединений для построения живых организмов отобрала лишь несколько сотен. Так, в состав белков входит только 20 аминокислот, всего четыре нуклеотида участвуют в построении ДНК и РНК, ответственных за наследственность и регуляцию белково­го синтеза в любых живых организмах. В ходе эволюции отбирались те структуры, которые способствовали резкому повышению активности и селек­тивности действия каталитических групп.

В основе химических процессов клетки лежит биокатализ, основанный на способности различных природных веществ, участвующих в химических реакциях, управлять ими, замедляя или ускоряя их протекание. Ферменты (энзимы) – белки, обладающих каталитической активностью.

В 1964 г. проф. А.П. Руденко представил теорию самоорганизации элементарных открытых каталитических систем, в последствии ставшая основой общей теории химической эволюции и биогенеза, раскрывающая многие важные эволюционные вопросы. Химическая эволюция представляет собой саморазвитие каталитических систем. Теория саморазвития открытых каталитических систем дает возможность определить рубеж перехода неживого в живое.