Общая характеристика естествознания
|
|
|
|
· Технические науки направлены на преобразование природы.
· Математические науки – исследование знаковых систем (модели).
· Фундаментальные науки направлены на изучение базисных структур мира: физика, химия, астрономия, биология…
· Прикладные науки направлены на решение практических задач по результатам фундаментальных исследований.
· Теоретические прикладные направлены на изучение научно-теоретических вопросов (Физика металлов, физика полупроводников).
· Практические прикладные направлены на решение прикладных задач (Металловедение, полупроводниковая технология).
Прикладная наука выгоднее в плане субсидирования – даёт относительно быстрый оборот денег, поэтому субсидирование коммерческое тоже. Фундаментальные науки субсидируются только государством из-за больших сроков обращения (20, 50, 100 лет).
Сокращаются расходы на фундаментальные исследования.
Фундаментальные проблемы – проблемы, возникающие внутри самой науки, и разработка этих проблем поднимает науку на более высокий уровень развития, но извне может не требоваться.
Прикладные науки – основанные на требованиях извне.
Только фундаментальные исследования двигают науку вперед.
От государства выдвигается требование к фундаментальным наукам:
· Поддержка высокого уровня знаний в данной области науки.
Естествознание и религия – борьба за духовное лидерство. Борьба исторически принимала очень жестокие формы. Преподавателями до XVI века были священнослужители. Первые светские преподаватели – Дарвин, Ломоносов.
В XVII веке церковь уничтожила более 50000 «еретиков» - ведьм, учёных (алхимиков, астрономов).
Атеисты считают, что наука и религия несовместимы.
Наука и религия идут параллельно, у них разные объекты исследования.
Религия – это вера, объект – душа человека, поэтому обращена она внутрь человека.
В науке же объектом является реальный мир.
Требуется, чтобы церковь была отделена от управления государством.
У любого учёного, даже атеиста, есть вера, вера в то, что он делает, интуиция.
Суеверия не соотносятся ни с теологией (богословие), ни с наукой. Религия изучает догмы, не имеющие развития, в отличие от науки, которая ищет опытным путём и не основывается на вере, на догмах. Суеверия – остатки мистических и мифологических представлений, язычества.
Краткая хронология научных открытий
2 Лекция: Физическая картина мира
В древние века понятие «физика» подразумевало космос (греч.) – «порядок», отражение совершенного порядка на Земле.
Первое впечатление о Земле – что она плоская.
Первое понятие о космосе – эгоцентризм – все небесные тела находятся вокруг Земли.
В V веке до н.э. Анаксимандр говорил, что Земля шар и ни на что не опирается, это уже геоцентризм. В I веке до н.э. Птолемей математически рассчитал геоцентрическую модель. В VI веке до н.э. Аристотель сказал, что вокруг Земли расположен хрустальный небосвод со звёздами.
Гелиоцентризм.
В III веке до н.э. Аристарх Клавдий из Самоса предполагал, что солнце неподвижно, и все вращается вокруг него.
В начале XVII века – 17 февраля 1600 года сожжен на костре Джордано Бруно.
Коперник (1473-1543) утверждал, что Земля – не центр мироздания, его учение было признано в 1835-м году.
Ньютон (1643-1727) создал дифференциальную и интегральную систему.
1687 г. – «Математические начала натуральной философии».
XIX век – открытие поля (альтернативного вида материи).
В 1837 году Фарадей (1791-1867) открыл электромагнитное поле.
В 1877 году Максвелл создал первую объединенную теорию – объединил электричество, магнетизм и оптику.
Современная физика – конец XIX века – открытие рентгеновских лучей, микромира.
Квантовую механику впервые доложил 14 декабря 1900 года Макс Планк – энергия излучения не постоянна, а дифференцирована – излучается квантами, т.е. отдельными порциями.
В 1922 году Эйнштейн получает Нобелевскую премию. Альберт Эйнштейн несколько раз номинировался на Нобелевскую премию по физике, однако члены Нобелевского комитета долгое время не решались присудить премию автору такой революционной теории, как теория относительности. В конце концов был найден дипломатичный выход: премия за 1921 год была присуждена Эйнштейну за теорию фотоэффекта, то есть за наиболее бесспорную и хорошо проверенную в эксперименте работу; впрочем, текст решения содержал нейтральное добавление: «и за другие работы в области теоретической физики».
Концепции материи и движения.
Фундаментом естественнонаучной картины мира (ЕНКМ) являются общие понятия:
· Материя
· Движение
· Время
· Пространство
· Взаимодействие
Материя (физ.) – это все то, что прямо или косвенно (опосредованно) воздействует на органы чувств человека.
Материя (философ.) – это реальность, данная нам в ощущениях и независимая от человека.
Движение – это любое изменение, которое происходит с материальными объектами в результате их взаимодействий. Материя не существует без движения.
Движение – это неотъемлемое свойство материи. Материя не существует без форменного состояния, она дискретна (Дискре́тность (от лат. discretus — разделённый, прерывистый) — свойство, противопоставляемое непрерывности, прерывность.).
Тело молекулы атомы протоны, нейтроны, электроны кварки
В современной физике различают три вида материи:
1. Вещество
2. Поле
3. Физический вакуум (экспериментально обнаружен в ускорителях в 50-х гг. XX)
Вещество – это любые материальные объекты, имеющие массу. Кроме массы может быть электрический заряд. Элементарные частицы (нейтрино имеют массу, 2002 год).
У вещества есть четыре агрегатных состояния:
Твердое
Жидкое
Газообразное
Плазма
Состояние материального объекта характеризуется физическими величинами, или параметрами состояния: координаты, энергия, температура, масса, спин, энтропия, состав.
Переход от одного состояния к другому есть движение материи.
Виды движения:
1. Механическое
2. Колебательное и волновое
3. Тепловое
4. Процессы переноса (диффузия, теплопроводность)
5. Фазовые переходы
6. Радиоактивный распад
7. Химические и ядерные реакции
8. Эволюция живых организмов
9. Метаболизм
Поле – особое состояние среды, в каждой точке которой заданы параметры, которые характеризуют состояние вещества и которые непрерывно и плавно меняются от точки к точке.
Поле является материальным фактором, который приводит к взаимодействию тел.
В макромире поле противоположно веществу (не имеет массы, непрерывно и т.п.). В микромире нет раздельно поля и вещества, там присутствует корпускулярно-волновой дуализм.
Физический вакуум – самое низшее энергетическое состояние квантового поля. Среднее число частиц в вакууме равно нулю. Там существуют виртуальные частицы со временем жизни t£10-18 с. Вакуум «кипит» этими частицами, но они обладают низкой энергией.
Физический вакуум проявляется только при достаточно большой энергии - виртуальные частицы начинают взаимодействовать с реальными частицами.
Современный тезис: Физический вакуум является основой Вселенной (1990-е гг.)
Концепции времени и пространства.
Время и пространство – это формы существования и движения материи.
Самые первые представления относятся к древним векам, это субъективные понятия.
Время выражает порядок смены физических состоянии материальных тел, поэтому время универсально и объективно вне зависимости от человека.
Субъективно то, что можно измерить с помощью часов. В качестве отсчета может быть принят любой циклический процесс, например, вращение Земли.
Постулат времени: одинаковые во всех отношениях явления происходят за одинаковое время. Эталон точности на данный момент составляет 10-11 с.
В классической механике Ньютон создал понятие истинного (абсолютного) времени, или математическое время - это время, которое течёт равномерно и не зависит от каких-либо физических процессов.
По Эйнштейну, время относительно.
По теории относительности:
Существует релятивистское замедление времени при скоростях, близких к скорости света (релятивизм - методологический принцип, согласно которому все наши знания относительны и условны, а объективное познание действительности невозможно).
Гравитационное замедление времени (внутри чёрной дыры время останавливается).
По Ньютону время является обратимым, по современным представлениям время необратимо, относительно и одномерно.
В пространстве физические тела занимают объем и движутся друг относительно друга. Пространство выражает порядок сосуществования физических тел.
Пространство (быт.) – это некая протяженная пустота, в которой могут находиться материальные тела.
Свойства пространства
Однородность – все точки равноправны;
Изотропность проявляется в том, что физические свойства и законы движения замкнутой системы не зависят от выбора направления осей координат. Ньютон ввел в классическую механику понятие абсолютного пространства, то есть, существующего независимо оттого, находятся там материальные тела или нет. Реального абсолютного пространства нет! В современной физике пространство так же относительно, как и время;
Трехмерность (длина, ширина, высота);
Объективность, т.е. независимость от человеческого сознания;
Протяженность.
Первая концепция пространства – III век до н.э. – Евклид создал свою геометрию. Его концепция не связана ни со временем, ни с физическими явлениями – она чисто математическая. Была дополнена в XVIII веке Декартом, который ввел трехмерную систему координат (стереометрия) и определил пространство как однородное и изотропное.
Вторая концепция пространства появилась в начале XIX века. Я. Бальяй, К. Гаусс (сер. XIX), Н. И. Лобачевский (сер. XIX) независимо друг от друга пришли к разработке неевклидовой геометрии. В отличие от Евклидовой, не соблюдается постулат о параллельных прямых (Сколько угодно прямых, параллельных данной). Евклидовой геометрии было отведено место частного случая
В 60-е гг. XIX века Риман создал сферическую геометрию. Геометрии Лобачевского было отведено место частного случая
Евклидова геометрия применима для макромира, неевклидова для мегамира, для искривленного пространства – римановская. В классической пространство, время и материя не связаны друг с другом.
В релятивистской механике пространство и время объединены в пространственно-временной континуум. Эйнштейн ввел временную координату. Эйнштейн отчасти заимствовал наработки Минковского в области создания четырехмерного мира. Четырехмерный мир неощутим для людей. Еще Галилей сказал, что для измерения движения нужно взять систему отсчёта времени. Система отсчета – это совокупность декартовых координат и часов. Это говорит о том, что движение тела всегда относительно движения других тел и связано со временем.
Специальная теория относительности (1905) показала, что нет абсолютного пространства и абсолютного времени, все они относительны какой-либо системы отсчета.
Общая теория относительности (1915) показала, что евклидова геометрия непригодна для описания тел с большими массами и размерами.
Специальная теория относительности (СТО) - все явления везде протекают одинаково; скорость света везде одинакова, ни от чего не зависит и является максимальной скоростью распространения материи.
Из-за того, что для движущихся наблюдателей явления протекают по-разному (с их точки зрения; например, если вы едете в поезде, то деревья с вашей точки зрения движутся, а поезд нет), а на самом деле должны протекать одинаково, возникают некоторые эффекты СТО.
У движущегося объекта с точки зрения неподвижного наблюдателя:
- время замедляется;
- продольный размер укорачивается;
- энергия возрастает.
Общая теория относительности (ОТО) - сила гравитации на самом деле не реальная действующая сила, а проявление искривления нашего 4-мерного пространства-времени. Т. е. все тела движутся на самом деле по инерции, по прямой линии, но эта "прямая" искривлена и кажется, что тело падает по параболе (как брошенный камень) или вращается по эллипсу (как планеты).
Есть тоже некоторые следствия, например, время возле массивного объекта замедляется.