Учебное пособие: Основы концепции современного естествознания

Галилей открыл принцип инерции, движения тела в пустоте, где нет сопротивления. Сопротивление среды он считал несущественным.

Он также сформулировал принцип относительности: во всех инерциальных системах отчета все физические явления происходят одинаково. Эти два принципа описывают свойство пространства Вселенной.

Окончательную формулировку эти принципы получили в механике Ньютона. Он соединил идею пустого пространства и прямолинейного инерционного движения.

Пустое пространство – это «абсолютное» пространство – всегда одинаковое и неподвижное. Он определил также абсолютное истинное математическое время: оно протекает равномерно, без отношения к чему-либо внешнему и называется длительностью. Время и пространство представляют собой вместилище самих себя и всего сущего. Во времени все располагается в смысле порядка последовательности, а в пространстве – в смысле порядка положения. Это места, перемещения мест составляет абсолютное движение.

Ньютон подчеркивает, что движение имеет относительный характер и зависит от системы отчета. Система отчета должна или покоиться, или двигаться равномерно и прямолинейно к абсолютному пространству.

Абсолютное время – это время, не зависящее от движения. Время одинаково во всех системах отчета.

Теория относительности Эйнштейна

В 1905 году Эйнштейн в работе «К электродинамике движущих сред» сформулировал два предположения, которые в современной науке именуются постулатами теории относительности».

1. Принцип относительности: все законы природы одинаковы во всех инерциальных системах отчета;

2. Принцип постоянства скорости света: скорость света в пустоте одинакова во всех инерциальных системах отчета и не зависит от движения источников и приемников света.

Эйнштейн подвергает критике ньютоновское понятие абсолютного времени и утверждает, что одновременность событий в одной системе отчета не будет верна в другой, движущейся по отношению к первой. Одновременность становится понятием относительным, зависящим от наблюдателя, т.е. в каждой системе отчета собственное время.

Закон сохранения и превращения энергии

XIX век ознаменовался открытием одного из самых великих принципов современной науки, приведшем к объединению самых различных явлений природы. Этот принцип гласит, что существует определенная величина, называемая энергией, которая не меняется ни при каких превращениях, происходящих в природе. Энергия – единая мира различных форм движения материи. Для количественной характеристики различных форм движения вводятся соответствующие им виды энергии: механическая, тепловая, электромагнитная, химическая, ядерная и др.

Существует два качественно различных способа передачи энергии от одного тела к другому – это работа и теплота. Передача энергии в форме работы производится в процессе силового взаимодействия тел и сопровождается перемещением. Передача путем теплообмена обусловлена различием температур этих тел.

Закон сохранения и превращения энергии: энергия в природе не возникает из ничего и не исчезает: количество энергии неизменно, она только переходит из одной формы в другую.

Вывод: пространство и время – это неразрывно связанные с материей формы ее существования. Неразрывность пространства и времени обусловлены движением материи, которое является способом ее существования. Энергия – это мера движения материи и условие существования жизни (все живое потребляет энергию, чтобы жить).

4. Принципы возрастания энергии. Элементы квантовой физики. Энергия, энтропия. I и II начала термодинамики

В XIX веке появилось понятие «энергия» – единая мера различных форм движения материи. Всеми явлениями природы управляет закон сохранения и превращения энергии: энергия в природе не возникает из ничего и не исчезает бесследно: количество энергии неизменно, она только переходит из одной формы в другую. Этот универсальный закон называется первым началом термодинамики.

Характер протекания процессов в природе устанавливается вторым началом термодинамики, согласно которому: в природе возможны процессы, протекающие только в одном направлении – в направлении передачи тепла только от более горячих тел к менее горячим. В термодинамике различается 2 типа процессов: обратимые и необратимые. Обратимым называется процесс, который может идти в прямом и обратном направлении. При этом система возвращается в исходное положение без изменений. Любые другие процессы являются необратимыми (например: диффузия, теплообмен).

Для характеристики обратимых и необратимых процессов было введено понятие «энтропия», с греческого энтропия – поворот, превращение.

Энтропия системы определяется ее начальным и конечным состоянием. В обратимых процессах энтропия изолированной системы постоянна, а при необратимых возрастает ∆ S>0 и стремится к максимальной величине.

Возрастание энтропии было признано самопроизвольной эволюцией системы, в которой система забывает начальные условия и переходит в состояние хаоса. При максимальной энтропии возникает состояние равновесия и наступает полный хаос. Возрастание энтропии, т.е. эволюция системы, или переход от настоящего к будущему – это направление, которое называют «стрела времени». Состояние равновесия или хаоса – считается более вероятным для изолированной системы.

Гипотеза тепловой смерти Вселенной

Этот принцип, распространенный на крупномасштабные процессы, протекающие во Вселенной, привел к гипотезе о тепловой смерти Вселенной. Если все физические процессы протекают в направлении передачи тепла от более горячих тел к менее горячим, это означает что во Вселенной идет выравнивание температуры, что означает тепловую смерть Вселенной и переход в состояние симметрии или полного хаоса. В данном случае Вселенная рассматривается как замкнутая система.

По мнению других Вселенная не должна рассматриваться как замкнутая система. Это система, находится в переменном гравитационном поле, и применение закона возрастания энтропии не приводит к выводу о необходимости статического равновесия сил.

Теория поля и вакуума

В 1927 году английский физик Поль Дирак составил уравнение, которое описывало движение электрона с учетом законов квантовой механики и теории относительности Эйнштейна и получил формулу с двумя решениями: электрон с положительной энергией и электрон-двойник с отрицательной энергией. Так возникло представление о частицах и античастицах, мирах и антимирах.

Обнаружение античастиц углубило представление об электромагнитном поле, его дискретности (прерывистости). Считалось, что электромагнитного поля нет, если нет квантов поля – фотонов, и значит, в этой области пространства должна быть пустота, или вакуум.

Открытие античастиц привело к открытию виртуальных частиц, которые то возникают то исчезают, изменяя заряд электрона (без этих частиц заряд электрона равнялся бы бесконечности). Вакуум наполнился виртуальными Гейзенберга античастицами. Такое представление о вакууме привело к открытию принципа неопределенности Гейзенберга, согласно этому принципу квантовые эффекты могут на время нарушать закон сохранения энергии. В течение этого времени энергия, взятая как бы «взаймы», может расходоваться на рождение короткоживущих частиц, исчезающих при возвращении энергии. Таким образом, вакуум в физике оказывается не пустым, а представляет собой море рождающихся и гасящихся всплесков.