Эволюция представлений о пространстве и времени

Пространство: — форма сосуществования материальных объектов и процессов (характеризует структурность и протяженность материальных систем)

Время: — форма и последовательные смены состояний объектов и процессов (характеризует длительность их бытия).

(Античность)-------------------------------------------------
Понимание пространства как самостоятельной сущности;

пространство как категория места, время как мера движения у Аристотеля

(Новое время – 17_19 века)------------------------------

Абсолютные пространство и время Ньютона

Классический закон сложения скоростей как следствие ньютоновских представлений об Абсолютном пространстве и Абсолютном времени

(Конец 19 – начало 20 веков)

Концепция мирового эфира (эфир как материальный носитель электромагнитных волн – света)

(Современность)

Понимание пространства и времени как системы отношений между материальными телами;

изменение пространственных и временных промежутков при смене системы отсчёта у Эйнштейна;

Нарушение классического закона сложения скоростей в опыте Майкельсона-Морли;

Современная научная картина мира:
- отказ от идеи Абсолютных пространства и времени, мирового эфира и других выделенных систем отсчета
- признание тесной взаимосвязи между пространством, временем, материей и её движением

 

2-03. Специальная теория относительности
(описывает только равномерное движение)
Принцип относительности Галилея:- применен в классич. механ. Ньютона, устанавливает, что во всех инерциальных системах отсчета любой механич. процесс протекает одинаково, в частности, движение относительно, покой и движение качественно неразличимы

Принцип относительности (1 постулат Эйнштейна): законы природы инвариантны относительно смены системы отсчёта

Инвариантность скорости света (2 постулат Эйнштейна):- скорость света одинакова для всех наблюдателей, не зависит от их движения относительно луча света

Постулаты Эйнштейна:- проявление симметрий пространства и времени

Основные релятивистские эффекты - относительность одновременности

- относительность расстояний

-относительность промежутков времени

- инвариантность пространственно-временного интервала

- инвариантность причинно-следственных связей

- единство пространства-времени

- эквивалентность массы и энергии

Соответствие СТО и классической механики: их предсказания совпадают при малых скоростях движения

Общая теория относительности

(описывает любое движение и многое прочее…)
Общая теория относительности (ОТО): распространение принципа относительности на неинерциальные системы отсчета (неравномерное движ.)

Принцип эквивалентности: ускоренное движение неотличимо от покоя в гравитационном поле

Взаимосвязь материи и пространства-времени: материальные тела изменяют геометрию пространства-времени, которая определяет характер движения матер. тел

Соответствие ОТО и классической механики: их предсказания совпадают в слабых гравитационных полях

Эмпирические доказательства ОТО: - отклонение световых лучей вблизи Солнца, замедление времени в гравитационном поле, смещение перигелиев планетных орбит

 

Структурные уровни и системная организация материи

Микро-, макро-, мегамиры

Вселенная в разных масштабах: микро-, макро- и мегамир

Критерий разделения на микро-, макро- и мегамир: соизмеримость с человеком (макромир) и несоизмеримость с ним (микро- и мегамир)

Основные структуры микромира: элементарные частицы, атомные ядра, атомы, молекулы

Основные структуры мегамира: планеты, звёзды, галактики

Единицы измерения расстояний в мегамире: астрономическая единица (среднее расстоянию Земли от Солнца. 1 а. е. = 149,6 млн. км.), световой год (путь, который свет проходит за год, т. е. 9,46*10 ¹² км.), парсек (1 пк = 206 265 а. е. = 3,263 светового года = 3,086*10 ¹⁶ м.).

Звезда:- небесное тело, в котором естественным образом происходили, происходят или с необходимостью будут происходить реакции термоядерного синтеза

Атрибуты планеты:

- не звезда, - обращается вокруг звезды (например, Солнца)

- достаточно массивно, чтобы под действием собственного тяготения стать шарообразным и своим тяготением расчистить пространство вблизи своей орбиты от других небесных тел

Галактики — системы из миллиардов звёзд, связанных взаимным тяготением и общим происхождением

Наша Галактика, её основные характеристики:

- гигантская (около 200 млрд звезд), - спиральная,

- диаметр около 100 тыс. световых лет

Пространственные масштабы Вселенной: расстояние до наиболее удалённых из наблюдаемых объектов более 10 млрд. световых лет

Метагалактика:- лишь видимая часть Вселенной (т.е. есть еще и невидимая часть, Метагалактика меньше чем Вселенная)

 

Системные уровни организации материи

Целостность природы:- всё в природе взаимосвязано, взаимозависимо, не изолировано друг от друга

Системность природы:- это огромнейшая система взаимодействующих элементов, объектов, систем из объектов

Аддитивные свойства систем (аддитивность): значение величины, соответствующее целому объекту, равно сумме значений величин, соответствующих его частям

Интегративные свойства систем:- система не сводится к простой механической сумме её частей, т.к. связи между частями придают системе качества, которых нет ни у одной её части Совокупности, не являющиеся системами:- это наборы тел, взаимодействием между которыми можно пренебречь, пример - созвездия (участки звёздного неба, содержащие группы звёзд с характерным рисунком) и др.

Иерархичность природных структур как отражение системности природы: одни структуры могут быть составной частью других, более крупных структур (иерархия структур, они вложены друг в друга как матрешки, пример вложенных структур - биологическая ткань-орган-организм)

Иерархические ряды природных систем (от меньшего к большему):

- физических (фундаментальные частицы — составные элементарные частицы - атомные ядра - атомы - молекулы — макроскопические тела)

- химических (атом - молекула - макромолекула - вещество)

- астрономических (звёзды с их планетными системами — галактики — скопления галактик — сверхскопления галактик, метагалактика, Вселенная)

 

Структуры микромира

Элементарные частицы:- мельчайшие известные частицы физической материи

Фундаментальные частицы –те, что по современным представлениям, не имеют внутренней структуры и конечных размеров (например, кварки, лептоны), из них сложены другие (составные) частицы, таковых большинство их нескольких сотен известных частиц

Частицы и античастицы:-отличаются друг от друга только знаком заряда (а всё остальное одинаково) или спина (спин можно приближенно рассматривать как характеристику вращения частицы в роли маленького волчка)

Классификация элементарных частиц: - по массе: с нулевой массой (фотон); лёгкие (лептоны); тяжёлые (адроны)

- по времени жизни: стабильные (протон, электрон, нейтрино), нестабильные (свободный нейтрон и резонансы)

Взаимопревращения элементарных частиц:- распады на более легкие частицы, рождение новых частиц при столкновениях, аннигиляция (это исчезновение частицы и античастицы при их столкновении с образованием при этом вспышки света – фотонов)

Возможны любые реакций элементарных частиц, не нарушающие законы сохранения (энергии, заряда и т.д.)

Вещество есть совокупность корпускулярных структур (иерархичных):- кварки — нуклоны — атомные ядра — атомы с их электронными оболочками

Размеры и масса ядра в сравнении с атомом: размер атомного ядра около 10 ^-15 м, размер атома около 10 ^-10 м, масса ядра практически равна массе атома

 

Химические системы

Атом:- мельчайшая частица химического элемента, сохраняющая его свойства.

Изотопы:- разновидности химических элементов, у которых ядра атомов отличаются числом нейтронов, но содержат одинаковое число протонов и поэтому занимают одно и то же место в периодической системе элементов.

Невозможно классически описать поведение электронов в атоме;

Дискретность электронных состояний в атоме: - электронам разрешен только некий набор энергий в атоме (энергии Е ₁, Е ₂, Е ₃, ……), т.е. это квантование энергий и, аналогично, импульсов, орбит и т.д.

Переходы электронов между электронными состояниями как основные атомные процессы (возбуждение и ионизация):- переходы идут скачком, практически мгновенно. Переход на более высокую энергию – возбуждение, вообще отрыв электрона от атома - ионизация

Химический элемент:- совокупность атомов с одинаковым зарядом ядра.

Молекула:- микрочастица, образованная из атомов и способная к самостоятельному существованию.

Вещества: простые и сложные (соединения): вид материи, который обладает массой покоя (элементарные частицы, атомы, молекулы и др.). В химии вещества принято подразделять на простые, образованные атомами одного химического элемента, и сложные (химические соединения).

Катализаторы:- вещества, ускоряющие химические реакции. Вещества, замедляющие реакции, называются ингибиторами.

 

Биокатализаторы (ферменты): специфические белки, увеличивающие скорость химических реакций в клетках всех живых организмов. Ферменты — самые активные среди всех катализаторов.

Полимеры: вещества, молекулы которых (макромолекулы) состоят из большого числа повторяющихся звеньев; Полимеры делят на природные, или биополимеры (белки, нуклеиновые кислоты, натуральный каучук), и синтетические (полиэтилен, полиамиды, эпоксидные смолы)

Из биополимеров построены клетки всех живых организмов.

Мономеры: вещество, молекулы которого способны реагировать между собой или с молекулами др. веществ с образованием полимера. Важнейшие мономеры — этилен, пропилен, изопрен, винилхлорид, стирол, бутадиен, фенол.