Практика 7:Физический вакуум. Микро-, макро-, мегамир

В материальном мире существует иерархия структур различного масштаба и размерности. Для наглядности их можно выстроить в виде некой структурно-масштабной последовательности (таблица). При этом надо понимать, что это построение качественное, а не количественное, так как все эти элементы существуют лишь совместно и одновременно в едином Мире. Наибольший и наименьший масштабы объектов материального мира различаются приблизительно в 1040 раз, то есть на 40 порядков.

В естествознании принято выделять:

· микромир - мир предельно малых, непосредственно не наблюдаемых микрообъектов, пространственная размерность которых исчисляется от 10-8 до 10-16 см, а время жизни - от бесконечности до 10-24 секунды;

· макромир - мир макрообъектов, соизмеримых с человеком и его опытом. Пространственные величины макрообъектов выражаются в миллиметрах, сантиметрах и километрах (10-6-107 см), а время - в секундах, минутах, часах, годах, веках;

· мегамир - мир огромных космических масштабов и скоростей, расстояния в котором измеряются астрономическими единицами, световыми годами и парсеками (до 1028 см), а время существования космических объектов - миллионами и миллиардами лет.

Физический вакуум

Если начать с минимума, то весь материальный мир, прежде всего, представлен особой структурой - физическим вакуумом. Концепция физического вакуума является одной из краеугольных концепций современного естествознания. В соответствии с ней вакуум (лат. vacuum - пустота) - это не абсолютная пустота и не пространство без материи. Вакуум - своеобразный физический объект, в котором непрерывно происходят процессы рождения и уничтожения частиц. Как сами по себе могут рождаться частицы? Не противоречит ли это закону сохранения массы и энергии? Здесь необходимо отметить одно удивительное свойство микромира. Взаимодействия, происходящие в течение короткого промежутка времени, сопровождаются изменением энергии системы. Закон сохранения энергии незыблем, но энергия системы может изменяться на малую величину. Эта порция энергии, может "материализоваться" как угодно - может появиться фотон или родиться какая-нибудь частица. Спустя короткое время они исчезают. Такие частицы получили название виртуальных. Представление о виртуальных частицах радикально изменило привычные понятия о пустоте. В вакууме непрерывно рождаются и исчезают частицы, он как бы "кипит". Ситуация из статической, мертвой, превратилась в динамическую, а пустота получила название физического вакуума.

Микромир

Приставка "микро" означает отношение к очень малым размерам. Таким образом, можно сказать, что микромир - это что-то небольшое. В философии в качестве микромира изучается человек, а в физике, концепции современного естествознания в качестве микромира изучаются молекулы.

Микромир имеет свои особенности, которые можно выразить так:

1) единицы измерения расстояния (м, км и т. д.), используемые человеком, применять просто бессмысленно;

2) единицы измерения веса человека (г, кг, фунты и т. д.) применять также бессмысленно.

Так как была установлена бессмысленность применения единиц измерения расстояния и веса по отношению к объектам микромира, то, естественно, потребовалось изобрести новые единицы измерения. Так, расстояния между ближайшими звездами и планетами измеряются не в километрах, а в световых годах. Световой год - это такое расстояние, которое солнечный свет проходит за один земной год.

Изучение микромира вместе с изучением мегамира способствовало крушению теории Ньютона. Таким образом, была разрушена механистическая картина мира.

В 1927 г. Нильс Бор вносит еще один свой вклад в развитие науки: он сформулировал принцип дополнительности. Причиной, послужившей для формулировки данного принципа, стала двойственная природа света (так называемый корпускулярно-волновой дуализм света). Сам же Бор утверждал, что появление данного принципа было связано с изучением микромира из макромира. В качестве обоснования этого он приводил следующее:

1) предпринимались попытки объяснить явления микромира посредством понятий, которые были выработаны при изучении макромира;

2) в сознании человека возникали сложности, связанные с разделением бытия на субъект и объект;

3) при наблюдении и описании явлений микромира мы не можем абстрагироваться от явлений, относящихся к макромиру наблюдателя, и средств наблюдения.

Нильс Бор утверждал, что "принцип дополнительности" подходит как для исследования микромира, так и для исследования в других науках (в частности, в психологии).

В заключение данного вопроса стоит сказать, что микромир является основой нашего макромира. Также в науке можно выделить "микромикромир". Или, по-другому, наномир. Наномир, в отличие от микромира, является носителем света, точнее, всего спектра электромагнитных процессов, фундаментом, поддерживающим структуру элементарных частиц, фундаментальных взаимодействий и большинства явлений, известных современной науке.

Таким образом, предметы, окружающие нас, а также само тело человека не являются единым целым. Все это состоит из "частей", т. е. молекул. Молекулы, в свою очередь, также делятся на более мелкие составляющие части - атомы. Атомы тоже, в свою очередь, делятся на еще более мелкие составляющие части, которые именуются элементарными частицами.

Всю эту систему можно представить как дом или здание. Здание не является цельным куском, т. к. оно построено, допустим, с помощью кирпичной кладки, а кирпичная кладка состоит непосредственно из кирпича и раствора цемента. Если же начнет разрушаться кирпич, то, естественно, рухнет и все строение. Так и наша Вселенная - разрушение ее, если это произойдет вообще, также начнется с наномира и микромира.

Макромир

Естественно, есть объекты, которые по своим размерам гораздо больше объектов микромира (т. е. атомов и молекул). Эти объекты и составляют макромир. Макромир "населяют" только те объекты, которые по своим размерам соизмеримы с размерами человека. К объектам макромира можно отнести и самого человека. И, что естественно, человек является самой главной составляющей макромира.

Что же такое человек? Древний античный философ Платон как-то сказал, что человек - это двуногое животное без перьев. В ответ на это его оппоненты принесли ему ощипанного петуха и сказали: вот, Платон, твой человек! Изучение человека как объекта макромира с точки зрения его физических данных неправильно.

Прежде всего отметим, что человек - это целая совокупность различных систем: кровеносной, нервной, мышечной, костной системы и т. д. Но помимо этого, одной из составляющих человека является его энергия, которая тесно связана с физиологией. Причем энергия может рассматриваться в двух смыслах:

1) как движение и способность производить работу;

2) "подвижность" человека, его активность.

Нервная система, мышечная система, другие системы, энергия - еще не все составляющие человека. Самой главной такой "составляющей" является сознание. Что такое сознание? Где оно находится? Можно ли его потрогать, подержать в руках, посмотреть на него?

До сих пор на эти вопросы ответов нет, да и, скорее всего, не будет. Сознание - это нематериальный объект. Сознание нельзя взять и отделить от человека - оно неотделимо.

Но вместе с этим можно попытаться выделить ингредиенты, которые составляют человеческое сознание:

1) интеллект;

2) подсознание;

3) сверхсознание.

Интеллект - это мыслительная и умственная способность человека. Психологи утверждают, что главной функцией интеллекта является память. Действительно, мы не можем себе представить, что же было бы с нами, если бы памяти у нас не было вообще. Просыпаясь каждое утро, человек бы начинал соображать: кто я? Что я здесь делаю? Кто меня окружает? и т. д.

К подсознанию относятся все наши "рабочие" навыки. Навыки складываются из многократно повторяемых и однообразных действий. Для того чтобы проиллюстрировать, что такое навыки, достаточно вспомнить, что мы умеем писать и читать. Видя какой-то текст, мы не думаем: а это что за буква, а это что за знак? Мы просто складываем буквы в слова, а слова в предложения.

К сверхсознаниюотносится прежде всего душа человека.Душа - это также нематериальный объект (ее нельзя ни увидеть, ни подержать в руках). Совсем недавно было заявлено, что ученые узнали, сколько весит душа. Некоторые ученые утверждают, что в момент смерти человека его вес немного уменьшается, т. е. отлетает душа человека. Но данное утверждение необоснованно. Человеческая душа - это религиозная ценность. Все мировые религии направлены на то, чтобы дать людям возможность спасти свою душу после смерти (т. е. жить вечно после физической смерти бренной оболочки души - тела человека). Борьбу за душу всегда ведут Добро и Зло. Например, в христианстве это Бог и Сатана.

Явления макромира – непосредственно наблюдаемые в обыденной жизни явления. Поэтому движение макроскопических тел и его причины стали предметом первых по-настоящему научных исследований. Итоги этих исследований наиболее полно сформулированы в трудах И.Ньютона, опубликованных в конце XVII в. Механика макроскопических тел называется классической (ньютоновской), она справедлива для тел не слишком малой массы (условно более 15 10- кг), движущихся с достаточно малыми скоростями по сравнению со скоростью света в вакууме. Терминология механики, ее математический аппарат, а также механические модели как наиболее наглядные широко применяются и в других областях естественнонаучных знаний. Основной целью механики является изучение движения тел и нахождение их положения в пространстве в любой момент времени.

Простейший объект, изучаемый механикой, - это материальная точка, т.е. тело, размерами которого в данной ситуации можно пренебречь. Например, при изучении движения планет Солнечной системы Землю можно считать материальной точкой. Очевидно, что материальная точка – физическая модель, идеализация, и принципиально отличается от математического понятия точки: в природе существует ограничение на размеры тела снизу. Минимальным физическим размером считается диаметр ядра атома водорода – порядка 10^-15 м.

 Под движением принято понимать изменение положения тела в пространстве относительно других тел. Понятно, что для изучения движения необходимо существование хотя бы одного тела помимо рассматриваемого, и оно принимается за неподвижное – тело отсчета. Уже отсюда ясно, что в самом понятии движения содержится относительность. Для количественного описания движения требуется ввести систему координат и способ измерения времени – «часы». Тело отсчета, система координат и часы составляют систему отсчета.

2. Траектория, путь и перемещение. Радиус-вектор. Кинематические уравнения.

Траектория – это линия, вдоль которой движется тело. Путь – длина этой линии, измеряемая в метрах в системе СИ. Для описания положения материальной точки в данный момент времени относительно некоторой системы отсчета вводят понятие радиус-вектора. Радиус-вектор (от слова radius - ―луч) – это вектор, проведенный из начала координат к точке. В декартовой прямоугольной системе координат конец этого вектора имеет координаты r = (x, y, z)

Заметим, что радиус-вектор зависит от выбора системы отсчета. Однако изменение радиус-вектора не зависит от системы отсчета и называется перемещением. Перемещение, как и радиус-вектор, в СИ измеряется в метрах и является вектором с началом в начальной и концом в конечной точке движения. Очевидно, что величина (модуль) перемещения в общем случае не равна пройденному пути.

 Главной задачей кинематики является установление закона, по которому движется тело, с тем чтобы уметь в любой момент времени находить его положение (радиус-вектор).

3. Скорость и ускорение.

Если за малое время тело совершило перемещение, то говорят, что оно двигалось со определенной скоростью. Скорость, таким образом, характеризует быстроту перемещения и равна производной радиус-вектора по времени. Аналогично ускорение - это быстрота изменения скорости есть производная скорости по времени.

 Итак, зная кинематические уравнения движения тела, можно определить его скорость и ускорение в любой момент времени, т.е. полностью описать движение. Верно и обратное: зная зависимость ускорения от времени и начальные условия (скорость и радиус-вектор в начальный момент времени), можно получить уравнение движения тела.

Методы классической кинематики позволяют описывать как поступательное, так и вращательное движение макроскопического тела, т.е. всякое его сложное движение, которое может быть представлено как сочетание поступательного и вращательного. Дифференциальное и интегральное исчисление были разработаны Ньютоном именно для целей механики.

4. Динамика Ньютона и механическая картина мира

Для того, чтобы определить положение тела в любой момент времени, надо знать начальные условия и ускорения. Ускорения же обусловлены взаимодействием тела с другими телами, и их нахождением занимается другой раздел механики – динамика. В классической механике вводится количественная мера взаимодействия тел – сила – и формулируются три основных закона (Первый, Второй и Третий законы Ньютона). Вместе с законом гравитации и дифференциальным и интегральным исчислением они составляют фундамент всей классической механики. Уравнения динамики дали название всему классу похожих уравнений, которые, как представлялось, при заданных начальных условиях имеют единственное решение (динамические уравнения, динамические системы).

Итак, на рубеже XVII-XVIII вв. была создана законченная научная концепция, получившая название «механическая картина мира». Для нее характерны:

-Представления о материи: материей считалось вещество (материальные тела). Вещество состоит из дискретных неделимых частиц — атомов, вечных и неизменных. Из неизменности атомов следует неизменность таких свойств тел, как, например, масса.

-Представления о движении: Мир — это движущаяся материя. Движение понималось лишь в смысле механического перемещения тел и частиц. Допускалась возможность перемещения со сколь угодно большой скоростью.

-Представления о пространстве и времени: Ньютон выдвигает идею Абсолютного пространства — бесконечной однородной протяженности — и Абсолютного времени — бесконечной однородной длительности, — которые находятся вне тел и не зависят от них. Абсолютные пространство и время — то, что останется в мире, если удалить из него материю, то есть пустота, вместилище материи, и чистая длительность, не связанная ни с какими материальными процессами и телами.

-Представления о взаимодействии: оно может происходить на сколь угодно больших расстояниях мгновенно (концепция дальнодействия).

-Представления о причинности и закономерности: справедлив принцип причинности, каждое явление имеет предшествующую ему причину и однозначное следствие.

-Космологические представления: Вселенная бесконечна в пространстве и во времени и заполнена бесконечным числом звезд, вокруг которых вечно кружатся планеты. Позднее появилась гипотеза Канта-Лапласа о происхождении Солнечной системы из газопылевого облака. Однако идея эволюции, движущая сила которой заключена в самой материи, не была принята. Господствовало ньютоновское представление, что первый толчок Вселенной сообщил бог, предоставивший затем телам двигаться в соответствии с законами механики.

Мегамир

Если микромир - это мир тех объектов, которые не подходят под единицы измерения человека, макромир - это мир объектов, которые сопоставимы с единицами измерения человека, то мегамир - это мир объектов, которые несоизмеримо больше человека.

Проще говоря, вся наша Вселенная - это мегамир. Ее размеры огромны, она безгранична и постоянно расширяется. Вселенную заполняют объекты, которые значительно больше нашей планеты Земля и нашего Солнца. Нередко бывает, что разница между какой-либо звездой за пределами Солнечной системы в десятки раз превосходит Землю.

Исследование мегамира тесно связано с космологией и космогонией.

Наука космология является очень молодой. Она родилась сравнительно недавно - в начале XX в. Можно выделить две главные причины рождения космологии. И, что интересно, обе причины связаны с развитием физики:

1) Альберт Эйнштейн создает свою релятивистскую физику;

2) М. Планк создает квантовую физику.

Квантовая физика изменила взгляды человечества на структуру пространства-времени и структуру физических взаимодействий.

Также очень важную роль сыграла теория А. А. Фридманао расширяющейся Вселенной. Эта теория очень недолго оставалась недоказанной: только в 1929 г. ее доказал Э. Хаббл. Вернее, он не доказывал теорию, а обнаружил то, что Вселенная действительно расширяется. Причем следует отметить, что в то время причины расширения Вселенной установлены не были. Они были установлены гораздо позже, в наши дни. Они были установлены тогда, когда к ранней Вселенной применили результаты, полученные посредством изучения элементарных частиц в современной физике.

Космогония.Космогония - это раздел науки астрономии, который изучает происхождение галактик, звезд, планет, а также других объектов. На сегодня космогонию можно разделить на две части:

1) космогония Солнечной системы. Эту часть (или вид) космогонии по-другому называют планетной;

2) звездная космогония.

Во 2-й половине XX в. в космогонии Солнечной системы утвердилась точка зрения, согласно которой Солнце и вся Солнечная система образовались из газо-пылевого состояния. Впервые такое мнение было высказано Иммануилом Кантом. В середине XVIII в. Кант написал научную статью, которая называлась: "Космогония, или попытка объяснить происхождение мироздания, образование небесных тел и причины их движения общими законами развития материи в соответствии с теорией Ньютона". Молодой ученый захотел написать эту работу, потому что он узнал: Прусская академия наук предложила конкурс на аналогичную тему. Но Кант не смог собраться с духом и издать свой труд. Спустя какое-то время он пишет вторую статью, которая называлась: "Вопрос о том, стареет ли Земля с физической точки зрения". Первая статья была написана в сложное время: Иммануил Кант уехал из родного Кенигсберга, пытаясь подработать домашним учителем. Не получив ничего ценного (кроме своих познаний), Кант возвращается домой и в 1754 г. издает эту статью. Обе работы позже были объединены в единый трактат, который был посвящен проблемам космологии.

Теорию Канта о происхождении Солнечной системы в дальнейшем стал развивать Лаплас. Француз подробно описал гипотезу образования Солнца и планет из уже вращающейся газовой туманности, учел основные характерные черты Солнечной системы.