Задача 1
Вы – президент России и вам нужно принять решение по способу преобразования ее экономики от директивной к основанной на рыночных принципах, исходя из двух альтернативных подходов:
– управляемый переход к свободному рынку;
– обеспечить свободную конкуренцию, и рынок сам все расставит по своим местам.
Используя сведения о принципах самоорганизации природы, которые она реализовала на этапе возникновения жизни и биосферы, обоснуйте вариант, которому вы отдадите предпочтение.
Ответ
Если бы я был президентом России то я выбрал бы второй подход(обеспечить свободную конкуренцию, и рынок сам все расставит по своим местам). В результате развития природы, возникновения жизни и биосферы, выживали сильнейшие животные, растения, микроорганизмы. Многие из них приспосабливались к существующим условиям, видоизменялись и т.п. В результате этого процесса наша природа стала почти идеальной. Каждому биологическому организму нашлось свое место. Образовалась как бы гармония, взаимосвязь и взаимодействие всего животного и растительного мира.
Так же и с экономикой если дать свободу действия в рыночных отношениях, то она выстроится в оптимальную, свободную, устойчивую, основанную на рыночных принципах экономику.
Задача 2
Зная закон Архимеда определите, насколько поднимется уровень мирового океана, если растают льды Северного ледовитого океана.
Ответ
Как известно, лед занимает больший объем, чем вода в жидком состоянии, при этом, плавая он вытесняет воду по закону Архимеда, поэтому при таянии добавки воды не будет. Очищение Северного Ледовитого океана от льда приведет к резкому увеличению площади испарения воды в атмосферу. Это может привести к изменениям в количества осадков и климата во всем северном полушарии.
Задача 3
Освещенность от каждой звезды обратно пропорциональна квадрату расстояния до звезды. Плотность звезд во Вселенной достаточно равномерна, то есть количество звезд, от которых с расстояния R приходит излучение, пропорционально его кубу. Таким образом, количество света пропорционально R, а так как Вселенная огромна, то небо ночью должно быть не черным, а ярко светиться.
Ответ
Вопрос об окрасе ночного неба известен как парадокс Ольберса. В1848 году Уильям Гершель доказал свет исходящий от звезд постепенно поглощается космическими объектами(планетами астероидами и т.п.), а их нашей галактике огромное количество. Вся поглощенная энергия испускается хоть и в разных направлениях. Таким образом свет звезд мог бы доходить до нашей планеты в полном объеме если бы не поглощался на своем пути каким-либо образом. По этому ночное небо не светится так ярко как могло светится.
Задача 4
Когда португальцы приплыли на своих утлых суденышках в 17 веке в Китай, то обнаружили, что там уже имеются огромные корабли водоизмещением до 10000 тонн с бассейнами и достаточно сложным навигационным оборудованием. Почему португальцы приплыли в Китай, а не наоборот?
Ответ
Португальцы приплыли в Китай потому, что в Китае широко была развита наука, изобретено много приборов, агрегатов, систем. Они приплыли туда, чтобы набраться опыта, почерпнуть новые знания, в общем взять все то, что дало бы им быстрый толчок в развитии.
Древний Китай, сама по себе, закрытая цивилизация. Они достаточно владели медициной, разбирались в точных науках. В Китае было изобретено много вещей которые по сей день играют важную роль в нашей жизни(порох, бумага, книгопечатание, компас и т.д.) По развитию они были на шаг впереди остального человечества китайцам не надо было пускаться в плавания для изыскания новых знаний.
Задача 5
Производит ли лес кислород, если при круговороте в биосфере количество веществ сохраняется? Какова главная функция леса?
Ответ
Лес производит кислород, даже если при круговороте в биосфере количество веществ сохраняется. Главная функция леса заключается в том, что — растения, потребляя из почвы минеральные вещества, а из воздуха — углекислый газ, в процессе фотосинтеза производят кислород и органические вещества. Их называют продуцентами. В этом процессе они аккумулируют энергию в органическом веществе.
Задача 6
Сформулируйте основные концепции современного естествознания и приведите собственные примеры проявления некоторых из них в любой из его областей.
Ответ
— концепция относительности пространства и времени;
— концепция неопределенности и дополнительности;
— концепция фундаментальности случайности
— концепция корпускулярно-волнового дуализма и атомного строения вещества;
— концепция необратимости и роста энтропии в закрытых системах;
— концепция безграничности и эволюции Вселенной;
— концепция иерархичности построения нашего мира;
— концепция структурности в организации биологических объектов;
— концепция биосферы и регулирующей роли биоты;
— концепция эволюции биологических объектов и биосферы в целом;
— концепция самоорганизации открытых систем;
— концепция системности окружающего мира и нашего познания о нем;
— концепция единства природы и общества и их коэволюционной взаимообусловленности;
Задача 7
Если Луна делает оборот вокруг Земли приблизительно за один месяц, то почему Солнечные и Лунные затмения происходят не каждый месяц?
Ответ
Лунные затмения происходили бы каждый раз в полнолуние, а солнечные — в новолуние, если бы не одна особенность движения Луны. Плоскость ее орбиты наклонена к плоскости околосолнечной орбиты Земли под небольшим углом в 5°. Уже этого достаточно, чтобы в новолуние Луна проходила чуть выше или ниже Солнца, а в полнолуние земная тень не попадала на лунный диск. Только тогда, когда полнолуние или новолуние приходится на моменты пересечения Луной плоскости земной орбиты, т.е. когда действительно все три тела, участвующие в явлении, Вы страиваются в линию, происходят затмения.
Задача 8
Какие фундаментальные силы природы были открыты, и в каких явлениях каждая из них проявляется наиболее сильно?
Ответ
В природе существует четыре фундаментальных силы: гравитация, электромагнитное взаимодействие, сильное взаимодействие, слабое взаимодействие.
Гравитация(сила тяготения) — универсальное взаимодействие между любыми видами материи.(земное притяжение).
Электромагнитное взаимодействие существует между частицами, обладающими электрическим зарядом.
Сильное взаимодействие действует в масштабах атомных ядер и меньше, отвечая за притяжение между нуклонами в ядрах и между кварками в адронах.
Слабое взаимодействие, или слабое ядерное взаимодействие. Оно ответственно, в частности, за бета-распад ядра. Это взаимодействие называется слабым, поскольку два других взаимодействия, значимые для ядерной физики (сильное и электромагнитное), характеризуются значительно большей интенсивностью.
Задача 9
Измениться ли в закрытом парнике температура, если внутри на поверхность земли поместить зеркало?
Ответ
Изменится, в сторону увеличения. Так как солнечный свет проникающий через поверхность парника будет попадать на зеркало, лучи будут отражаться от его поверхности и рассеиваться по всей площади парника. Соответственно повысится температура т.к. солнечные лучи — есть тепловая энергия. Если же не будет зеркала, а будет поверхность земли, то тепловая энергия солнечных лучей буде поглощаться в землю потому, что черный цвет притягивает лучи солнца.
Задача 10
Почему протоны, находящиеся в ядрах атомов, не разлетаются из-за действия электростатических сил между ними?
Ответ
Рассмотрим последовательное сближение двух протонов и изменения в их бионном окружении. Бионное окружение протонов на значительном расстоянии их друг от друга практически не деформировано. Сближение за счет каких-либо сил приводит к изменению. Теперь уже бионное окружение частично деформировано. Такая деформация вызывает уменьшение скорости сближения (бионы, окружающие один протон, взаимодействуют с бионами из окружения второго протона). Но если запаса энергии у протонов достаточно, то происходит дальнейшее сближение и деформация бионного окружения до тех пор, пока станет невозможным расположение бионов, осуществляющее электрическое отталкивание.
Причина того, что протоны в ядре не отталкиваются состоит в том, что расстояние для осуществления отталкивания мало.
Задача 11
Объясните, почему одни атомы радиоактивны, а другие нет.
Ответ
Атомы радиоактивны в том случае, когда их ядра являются нестабильными и подвержены самопроизвольному распаду. Атомные ядра не стабильны как правило в случае, когда в них больное число нейтронов (заметно больше чем протонов) или когда они просто очень велики (суммарное число протонов и нейтронов очень велико). Проще говоря в таких ядрах притяжение, обусловленное сильным взаимодействием не способно эффективно справляться с электромагнитным отталкиванием.
Задача 12
Откуда берется энергия в недрах звезд?
Ответ
В результате реакции ядра атомов лёгких частей соединятся в ядро атома более тяжёлого элемента, то масса нового ядра оказывается меньше, чем суммарная масса тех ядер, из которых оно образовалось. Остаток массы преобразуется в энергию, которую уносят частицы, образовавшиеся в ходе реакции. Эта энергия практически полностью переходит в тепло.
Задача 13
Чему равен световой год в километрах?
Ответ
Если учесть что скорость света в вакууме равна 299 792 458 м/с, можно посчитать, что 1 световой год = 9,5 триллионов километров (точно 9 460 528 177 426,82 км)
Задача 14
Естествознание как единая наука о Природе. Предмет и цели естествознания. Естественные науки: классификация, субординация, интеграция и дифференциация
Ответ
Естествознание затрагивает вопросы не только собственно естественнонаучные, но и гуманитарные, потому что в нем освещаются пути познания Человеком Природы, т.е. пути развития науки. А изучение этих путей составляет предмет философии (как науки о мышлении и познании) и социологии (как науки о развитии человеческого общества) или психологии (как науки о человеческом интеллекте)
Естествознание: смысл слова и содержание понятия Слово «естествознание» представляет собой сочетание двух слов — «естество» («природа» ) и «знание» . Оно может быть заменено менее употребительным словом-синонимом «природоведение» , которое происходит от общеславянского термина «веды» или «веда» — наука, знание. Мы и до сих пор говорим «ведать» в смысле знать. Но в настоящее время под естествознанием понимается прежде всего так называемое точное естествознание, т.е. уже вполне оформленное — часто в математических формулах — «точное» знание о всем, что действительно есть (или, по крайней мере, возможно) во Вселенной, а «природоведение» (подобно пресловутому «обществоведению» или «науковедению» ) обычно невольно ассоциируется с какими-то еще аморфными представлениями о предмете своего «ведения»
Естествознание — система наук о природе, или естественных наук, взятых в их взаимной связи, как целое. Естествознание — одна из трёх основных областей научного знания о природе, обществе и мышлении; теоретическая основа промышленной и с.-х. техники и медицины; естественно-научный фундамент философского материализма и диалектического понимания природы.
Предмет и цели естествознания. Предмет Естествознание. — различные формы движения материи в природе: их материальные носители (субстрат), образующие лестницу последовательных уровней структурной организации материи; их взаимосвязи, внутренняя структура и генезис; основные формы всякого бытия — пространство и время; закономерная связь явлений природы как общего характера, охватывающая ряд форм движения, так и специфического характера, касающаяся лишь отдельных сторон тех или иных форм движения, их субстрата и структуры. «Предмет естествознания — движущая материя… Познание различных форм движения… является главным предметом естествознания»
Цели естествознание двоякие: 1) находить сущность явлений природы, их законы и на этой основе предвидеть или создавать новые явления и 2) раскрывать возможность использования на практике познанных законов, сил и веществ природы. Можно сказать: познание истины (законов природы) — непосредственная или ближайшая цель естествазнания, содействие их практическому использованию — конечная цель Е.
Цели естествознания совпадают, т. о., с целями самой человеческой деятельности. «Законы внешнего мира, природы… суть основы целесообразной деятельности человека»
Когда-то очень давно в русский язык в качестве синонима слова «природа» вошел крайне распространенный латинский термин «натура» (natura) . Но только в европейских странах, например в Германии, Швеции и Голландии, на его основе образовался соответствующий термин «Naturwissenschaft» , т.е. буквально — наука о природе, или естествознание. Он стал основанием также по существу международного термина «натурфилософия» (философия природы) .
Проблемы устройства, происхождения, организации или самой органической природы всего, что есть во Вселенной (в Космосе) , т.е. все проблемы естествознания, космологии и космогонии, первоначально относились к «физике» или «физиологии» . Во всяком случае, Аристотель (384 — 322 до н.э.) называл своих предшественников, занимавшихся этими проблемами, «физиками» или «физиологами» , ибо древнегреческое слово «физис» или «фюсис» , очень близкое к русскому слову «природа» , первоначально означало «происхождение» , «рождение» , «создание» .
Отсюда — естественная (органическая, природная, изначальная) взаимосвязь всего естествознания (включая космологию и космогонию) с физикой, которая является как бы исходной основой науки о Природе.
Но если вопрос о происхождении слова «естествознание» решается легко, то вопрос о том, что такое само естествознание как наука, т.е. вопрос о содержании и определении этого понятия, простым назвать нельзя.
Дело в том, что имеются два широко распространенных определения этого понятия: 1) «естествознание — это наука о Природе как единой целостности» и 2) «естествознание — это совокупность наук о Природе, взятая как единое целое» .
Как видно, эти два определения отличны друг от друга. Первое из них говорит об одной единой науке о Природе, подчеркивая единство Природы самой по себе, ее нерасчлененность. Тогда как второе определение говорит о естествознании как о совокупности, т.е. о множестве наук, изучающих Природу, хотя в нем и содержится указание, что это множество надо рассматривать как единое целое.
Однако далее мы увидим, что между этими двумя определениями уж очень большого различия нет. Ибо «совокупность наук о Природе, взятая как единое целое» , т.е. не просто как сумма разрозненных наук, а именно как единый комплекс тесно взаимосвязанных естественных наук, дополняющих друг друга, — это и есть одна наука. Только наука обобщенная, или интегративная (от латинского «integer» — целый, восстановленный) .
В средней школе в совокупность естественных наук обычно включают, прежде всего, физику, химию и биологию, а дополнительно к ним астрономию и географию, имеющие более специфический характер. В высшей школе число всевозможных естественных наук доходит до нескольких десятков и даже сотен ввиду их бесконечного дробления на узко специализированные дисциплины. С некоторой условностью в естествознание включают наряду с такими основными естественными науками, как физика, химия и биология, еще и психологию, которую относят также и к гуманитарным наукам.
Ответ на этот вопрос однозначен — необходимо четко представить себе подлинное единство Природы (ее целостность) , а именно то единое основание, на котором построено все бесчисленное разнообразие предметов и явлений Природы и из которого вытекают основные законы, связывающие микро- и макромиры, Землю и Космос, физические и химические явления между собой и с жизнью, с разумом. Так же как нельзя постичь законы, управляющие жизнью и деятельностью человека, посредством знакомства лишь с анатомией отдельных его органов, так невозможно, изучая порознь отдельные естественные науки, познать Природу как одно целое.
Прежнее изучение физики, химии и биологии было лишь первой необходимой ступенью к изучению Природы во всей ее целостности.
Четыре стадии познания Природы История науки свидетельствует о том, что в своем познании Природы, начиная с самых первых его шагов в древности, человечество прошло через три стадии и вступает в четвертую.
На первой из них сформировались общие синкретические (нерасчлененные, не детализированные) представления об окружающем мире как о чем-то целом, появилась так называемая натурфилософия (философия Природы) , превратившаяся во всеобщее вместилище идей и догадок, ставших к XIII — XV столетиям начатками естественных наук.
Затем, именно с XV — XVI веков, последовала аналитическая стадия — мысленное расчленение и выделение частностей, приведшее к возникновению и развитию физики, химии и биологии, а также целого ряда других, более частных, естественных наук (наряду с издавна существовавшей астрономией) .
Позднее, уже ближе к нашему времени, постепенно стало происходить воссоздание целостной картины Природы на основе ранее познанных частностей, т.е. наступила синтетическая стадия ее изучения.
Наконец, в настоящее время пришла пора не только обосновать принципиальную целостность (интегральность) всего естествознания, но и ответить на вопрос: почему именно физика, химия и биология (а также психология) стали основными и как бы самостоятельными разделами науки о Природе, т.е. начинает осуществляться необходимая заключительная интегрально-дифференциальная стадия. Поэтому естествознание как действительно единая наука о Природе рождается фактически только теперь. Лишь на данной заключительной стадии можно на самом деле рассматривать Природу (Вселенную, Жизнь и Разум) как единый многогранный объект естествознания.
Однако все эти четыре стадии исследования Природы, по существу, представляют собой звенья одной цепи.
Несмотря на то, что первая из них — натурфилософия — отделяется от трех последующих тем, что на ней безраздельно господствуют еще лишь методы наблюдения, а не эксперимента, только догадки, а не точные, опытно воспроизводимые выводы, ее роль в общем ходе познания Природы очень важна.
Именно на этой стадии возникли представления о мире как из чего-то происшедшем, развивающемся из хаоса, эволюционирующем. Но ввиду того что отсутствие экспериментальных методов еще не позволило тогда иметь точных знаний, начало естествознания как точной науки, вообще говоря, если не касаться астрономии (в смысле астрометрии) и геодезии или «геометрии» (т.е. «землемерия» ) , исторически относят к XV — XVI векам, т.е. к тому времени, когда исследование Природы вступило на вторую стадию — аналитическую.
И надо подчеркнуть, что накопленная с тех пор и до настоящего времени основная масса достижений в изучении Природы появилась как раз на этой второй стадии. Объясняется это тем, что аналитическое исследование природных объектов осуществлялось на протяжении многих и многих столетий огромной армией исследователей — путешественников и мореплавателей, врачей, астрологов и астрономов, алхимиков и химиков, изобретательных ремесленников и технических руководителей промышленного производства, наблюдательных крестьян и агрономов. Их взор проникал во все уголки Земли и Неба, в мир животных и растений, способствуя накоплению результатов не только пассивных наблюдений, но и опытных, планируемых эмпирических исследований. Именно на аналитической стадии изучения Природы появился весь тот богатейший массив естественнонаучных знаний, который лег в основание таких наук, как физика, химия и биология, а также география и геология.
Задача 15
Самоорганизация систем как переход от беспорядка к порядку. Синергетика
Ответ
Синергетика (от греч. synergetike — содружество, коллективное поведение) — наука, изучающая системы, состоящие из многих подсистем самой различной природы; наука о самоорганизации простых систем и превращения хаоса в порядок.
При этом под самоорганизацией понимается появление определенного порядка в однородной массе и последующего совершенствования и усложнения возникающей структуры, т.е. образование структуры происходит не за счет внешнего воздействия, а за счет внутренней перестройки.
Самоорганизация, по определению автора науки, немецкого физика Германа Хакена, — «спонтанное образование высокоупорядоченных структур из зародышей или даже из хаоса, спонтанный переход от неупорядоченного состояния к упорядоченному за счет совместного, кооперативного (синхронного) действия многих подсистем».
Синергетика родом из физических дисциплин — термодинамики, радиофизики. Но ее идеи носят междисциплинарный характер. Они как бы подводят базу под совершающийся в естествознании глобальный эволюционный синтез. Поэтому ученые в синергетике видят одну из важнейших составляющих современной научной картины мира.
Равновесная термодинамика занимается процессами взаимопревращения различных видов энергии. Ею установлено, что взаимные превращения тепла и работы неравнозначны. Работа может полностью превратиться в тепло трением или другими способами, а вот тепло полностью превратить в работу принципиально невозможно. Это означает, что во взаимопереходах одних видов энергии в другие существует выделенная самой природой направленность -«стрела оптимальности»!
Знаменитое второе начало термодинамики в формулировке немецкого физика Р. Клаузиуса звучит так: «Теплота не переходит самопроизвольно от холодного тела к более горячему».
Закон сохранения и превращения энергии (первое начало термодинамики) в принципе не запрещает такого перехода, лишь бы количество энергии сохранялось в прежнем объеме.
Но в реальности такого никогда не происходит. Вот эту-то односторонность, однонаправленность перераспределения энергии в замкнутых системах и подчеркивает второе начало. Для отражения этого процесса в термодинамику было введено новое понятие — энтропия. Под энтропией стали понимать меру беспорядка системы.
Поэтому более точная формулировка второго начала термодинамики приняла такой вид: «При самопроизвольных процессах в системах, имеющих постоянную энергию, энтропия всегда возрастает».
Физический смысл возрастания энтропии сводится к тому, что состоящая из некоторого множества частиц изолированная (с постоянной энергией) система стремится перейти в состояние с наименьшей упорядоченностью движения частиц. Это — наиболее простое состояние системы, или состояние термодинамического равновесия, при котором движение частиц хаотично.
Максимальная энтропия означает полное термодинамическое равновесие, что эквивалентно полному хаосу.
Общий итог достаточно печален: необратимая направленность процессов преобразования энергии в изолированных системах рано или поздно приведет к превращению всех видов энергии в тепловую, которая рассеется, т.е. в среднем равномерно распределится между всеми элементами системы, что и будет означать термодинамическое равновесие, или полный хаос.
Однако живая природа почему-то стремится прочь от термодинамического равновесия и хаоса. Такая явная «нестыковка» законов развития неживой и живой природы по меньшей мере удивляла.
Удивление это многократно возросло после замены модели стационарной Вселенной на модель развивающейся Вселенной, в которой ясно просматривалось нарастающее усложнение организации материальных объектов — от элементарных и субэлементарных частиц в первые мгновения после Большого взрыва до наблюдаемых ныне звездных и галактических систем.
Ведь если принцип возрастания энтропии столь универсален, как же могли возникнуть такие сложные структуры? Случайным «возмущением» в целом равновесной Вселенной их уже не объяснить. Стало ясно, что для сохранения непротиворечивости общей картины мира необходимо постулировать наличие у материи в целом не только разрушительной, но и созидательной тенденции. Материя способна осуществлять работу и против термодинамического равновесия, самоорганизовываться и самоусложняться.
Если с этим процессам сопоставить «стрелы оптимальности» эволюции Материи, то мы должны прийти к осознанию того, что стрелы оптимальности могут иметь противоположное направление. Анализ подобных процессов в рамках Единого закона, на страницах сайта, полностью подтверждает справедливость этих слов.
Предназначение синергетики, как науки, и об этом явно говорит ее автор, заключается в том, чтобы определить основные принципы, как из хаоса вырастают высокоорганизованные системы. Так, Хакен в предисловии к своей книге «Синергетика», пишет: «Я назвал новую дисциплину синергетикой не только потому, что в ней исследуется совместное действие многих элементов систем, но и потому, что для нахождения общих принципов, управляющих самоорганизацией, необходимо кооперирование многих различных дисциплин». Общий смысл комплекса синергетических идей заключается в следующем : процессы разрушения и созидания, деградации и эволюции во Вселенной имеют объективный характер, процессы созидания (нарастания сложности и упорядоченности) имеют единый алгоритм, независимо от природы систем, в которых они осуществляются.
Порядок и Беспорядок…. Все системщики знают, что Беспорядок автоматизировать нельзя. Однако синергетики этот аспект имеют ввиду только как неявный, называя Хаос Псевдохаосом, но так и не определяя смысла этой фундаментальной категории синергетики.
Цель синергетики, как постулирует ее автор синергетики — найти совместно с другими науками принципы самоорганизации.
В милогии эти принципы уже давно проявлены, но «чистые» синергетики еще долго не смогут этого осознать.
Синергетика, используя уже накопленный опыт исследований «спонтанных» переходов от «псевдохаоса» к порядку, используя принципы самоорганизации и закономерности милогии, способна внести значительный вклад в интеграцию науки. Если первоначальная цель синергетики звучала как поиск принципов самоорганизации систем, используя достижение всех других наук, исследуя фазовые переходы, то теперь, впитав принципы самоорганизации милогии и Единый закон эволюции двойственного отношения, определяющего многоуровневый характер применения принципов самоорганизации, превратится в целостную теорию самоорганизации, «стрела оптимальности» эволюции которой начнет нести принципы самоорганизации в другие науки.
Системный подход нас учит, что нельзя из Беспорядка спонтанно создать Порядок. Это невозможно принципиально, как практически невозможно при спонтанном взрыве горных пород получить пантеон древних скульптур. И синергетика уже начинает осознавать, что из хаоса нельзя спонтанно создать Порядок и потому стыдливо называет Хаос Псевдохаосом. Да нет, не Хаос и не Псевдохаос лежит в основе создания «спонтанного Порядка». В основе лежит Замысел Творения Порядка. Поэтому задачу синергетики, как науки необходимо переориентировать. Не надо заниматься поиском принципов самоорганизации. Они в милогии уже обоснованы и изложены. Надо использовать их, для того, чтобы синергетика осталась наукой о самоорганизации.
Синергетика накопила достаточный опыт в изучении линейных, но в большей части не линейных фазовых переходов систем различной природы из одного устойчивого состояния в другое. Задача теперь состоит не в том, чтобы написать уравнение фазового перехода, а в том, чтобы в результате моделирования сделать обратный прогноз, с целью выявления Замысла Творения того или иного устойчивого состояния.
Задача 16
Сравните представления о пространстве и времени в классической и релятивистской механиках
Ответ
В основе классической механики — науки о движении тел — лежат три закона Ньютона. На ее основе был сформулирован закон всемирного тяготения, создана механистическая картина мира и разработана молекулярно-кинетическая теория.
В основе релятивистской механики лежат общая и специальная теории относительности. Релятивистскую механику в пределе малых скоростей можно рассматривать как классическую механику.
Рассмотрим основные свойства пространства в классической и релятивистской механиках.
Однородность — все точки пространства обладают одинаковыми свойствами, — нет выделенных точек пространства, параллельный перенос не изменяет вид законов природы.
Изотропность — все направления в пространстве обладают одинаковыми свойствами, — нет выделенных направлений и поворот на любой угол сохраняет неизменными законы природы.
Непрерывность — между двумя различными точками в пространстве, как близко бы они не находились, всегда есть третья.
Евклидовость — возможность построения в пространстве декартовых прямоугольных координат. Но согласно общей теории относительности Эйнштейна, при наличии в пространстве тяготеющих масс пространство искривляется, становится неевклидовым.
Трехмерность — каждая точка пространства однозначно определяется координатами — трех действительных чисел.
Характер физических законов зависит от масштаба исследуемых явлений. Поэтому различают микро-, макро- и мегамир. Объектами микромира являются молекулы, элементарные частицы. К объектам макромира относят живую клетку, человека и планету Земля. Мегамир — это Солнечная система и Млечный путь, звезды, галактики и вся Вселенная в целом. В мегамире существенную роль играют эффекты специальной и общей теории относительности, преобладающим взаимодействием является гравитационное. В макромире господствует классическая механика. Микромир — «царство» квантовой физики.
Однородность и изотропность пространства определяют его метрические свойства: возможность измерять расстояния с помощью единого эталона длины. Измерения с помощью эталона требуют непосредственного контакта с точками, между которыми измеряется расстояние.
В микромире расстояния измеряются при помощи явлений дифракции пучков фотонов на кристаллических решетках.
В макромире расстояния измеряются посредством, например, радиолокационного способа, когда зная скорость света в вакууме и вычислив время прохождения квантов света от источника до приемника и обратно, можно определить расстояние до интересующего объекта (например, какой-либо планеты). Также для вычисления расстояний в макромире можно использовать теоремы евклидовой геометрии, например, с помощью геометрического параллакса.
В мегамире для измерения расстояний используют другие методы. Например, для измерения расстояний до дальних звездных систем используют свойство цефеид — нестационарных пульсирующих звезд, которые периодически сжимаются и разжимаются.
Таким образом, классическая механика рассматривает пространство как нечто однородное, изотропное, непрерывное, трехмерное, описываемое геометрией Евклида. Релятивистская механика отвергает это свойства пространства в мегамире, полагая, что при наличии в пространстве тяготеющих масс пространство искривляется, становится неевклидовым, свойства его меняются.
Рассмотрим основные свойства времени в классической и релятивистской механиках.
Однородность — любые явления, происходящие в одних и тех же условиях, но в разные моменты времени, протекают совершенно одинаково.
Непрерывность — между двумя моментами времени, как близко бы они не располагались, всегда можно выделить третий.
Однонаправленность (необратимость) — следствие второго закона термодинамики.
С точки зрения классической физики существует абсолютное, «вселенское» время. Однако релятивистская механика утверждает, что не существует единого «всемирного» хода времени.
Общая теория относительности говорит о влиянии на ход времени распределения гравитационных масс. Например, вблизи массивных тел время замедляет свой ход, а в центре планет время течет несколько медленнее, чем на поверхности.
Специальная теория относительности говорит о влиянии на течение времени изменения скорости — явление, известное как «парадокс близнецов» — чем быстрее движется тело, тем медленнее протекает время на нем.
Совокупность тела и связанной с ним системы координат называется системой отсчета. Неизменность физических законов при переходе от одной системы отсчета к другой носит название принципа относительности.
Инерциальные системы отсчета — это системы отсчета, связанные с поступательно движущимися телами, на которые не действуют внешние силы. Они движутся относительно друг друга прямолинейно и с постоянной скоростью. Все остальные системы отсчета — неинерциальные.
Принцип относительности утверждает, что все инерциальные системы отсчета эквивалентны. В реальном мире не встречаются в полной мере инерциальные системы отсчета. Но принцип относительности для инерциальных систем отсчета имеет свое продолжение и для неинерциальных систем отсчета в принципе тождественности сил инерции и сил гравитации, являющимся основой общей теории относительности.
В основе специальной теории относительности лежит основание, что скорость света в вакууме во всех системах отсчета одна и та же и не зависит ни от скорости источника, ни от направления распространения.
Задача 17
Виды и спектральный состав звуковых волн. Спектр звуков, воспринимаемых человеком, и его изменение с возрастом
Ответ
Волны — это изменение состояния среды (возмущения), распространяющиеся в этой среде и несущие с собой энергию и импульс без переноса вещества. Виды волн — упругие волны и электромагнитные волны. Частными случаями упругих волн являются звуковые волны и сейсмические волны, электромагнитных — радиоволны, свет, рентгеновские лучи и другие.
Различают продольные и поперечные волны. В продольной волне частицы среды колеблются вдоль направления распространения волны. В поперечной волне частицы среды колеблются в направлениях, перпендикулярным к направлению распространения волны.
Упругие волны, распространяющиеся в воздухе и имеющие частоту в пределах от 16 до 20 000 Гц, достигнув человеческого уха, вызывают ощущение звука и поэтому называются звуковыми волнами. Упругие волны с частотами меньшими 16 Гц называются инфразвуком, волны с частотами, превышающими 20 000 Гц, называются ультразвуком.
Набор частот колебаний, присутствующих в данном звуке, называется его акустическим спектром. Если в звуке присутствуют колебания всех частот в некотором интервале, то спектр называется сплошным (шумы). Если спектр состоит из колебаний дискретных частот, то спектр называется линейчатым (тональный звук).
Скорость распространения звука в воздухе составляет 344 м/с и не зависит от частоты звука.
С возрастом диапазон слышимости сокращается, мужчины начинают утрачивать чувствительность к высоким нотам раньше, чем женщины. В среднем возрасте они уже не воспринимают звуков выше 12 000 Гц. Обычно после 50 лет верхняя часть спектра становится недоступной.
Воспринимаемый нами диапазон звуков шире того, который используется для речи или для пения.
Задача 18
История формирования представлений о строении атома. Чем был вызван отказ от планетарной модели Резерфорда?
Ответ
В 1902 году Кельвин предложил такую модель атома — положительный заряд распределен в достаточно большой области, а электроны вкраплены в него, как «изюм в пудинг». Дж. Томсон развил эту идею, исследуя на устойчивость разные конфигурации электронов. Он предположил, что устойчивым конфигурациям соответствует устройство неактивных элементов типа благородных газов, а неустойчивым — более активных. Он считал, что внутри атома действуют только электромагнитные силы. В 1903 году ДжиДжи получил, что электроны при движении должны излучать эллиптические волны, потом — что при большом числе электронов (более восьми) они должны располагаться кольцами, и число их в каждом кольце уменьшается с радиусом кольца. В радиактивных атомах число электронов не позволяет им быть устойчивыми, они выбрасывают альфа-частицы, и устанавливается новая структура атома. Модель Томсона, основанная на законах электричества, не устояла перед опытной проверкой и критикой.
Японский физик Хантаро Нагаока решил исследовать сатурноподобный атом на согласие такой модели со спектрами испускания. Перрен предложил планетарную модель строения атома, пытаясь объяснить наблюдаемые свойства орбитальным движением электронов. Однако немецкий физик В.Вин считал планетарную модель несостоятельной, т.к. электрон при вращении вокруг положительного ядра, по классической электродинамике, должен непрерывно излучать энергию и потому, в конце концов, упасть на ядро, что приведет к неустойчивости атома.
В 1908 году провели опыты по прохождению альфа-частиц через тонкие пластинки золота и обнаружили, что почти все они проходят через пластинку, и только 1/10 000 из них испытывает сильное отклонение. По модели Томсона это объяснить не удавалось, но Резерфорд нашел выход.
Он пришел к планетарной модели: положительный заряд сосредоточен в объеме 10-12, т.е. много меньше размера атома, со значительной массой.
К 1913 году Томсон пришел к планетарной модели, считая орбиты электронов в атоме закрепленными.
Генри Мозли измерил частоту спектральных линий ряда атомов периодической системы и установил, что «атому присуща некая характерная величина, которая регулярно увеличивается при переходе от атома к атому. Это количество не может быть ни чем иным, как только зарядом внутреннего ядра».
Построение теории атома на основе планетарной модели Резерфорда наталкивалось на обилие противоречий, считая, что электрон при вращении вокруг положительного ядра, по классической электродинамике, должен непрерывно излучать энергию и потому, в конце концов, упасть на ядро, что приведет к неустойчивости атома.
Бор основывался на планетарной модели атома Резерфорда с постулированием частот согласно правилу Ридберга — Ритца и стационарных состояний. То, что электрон может находиться не на любой орбите, а только на дозволенных, сразу объясняло линейчатый спектр атомов — электрон испускает свет только при переходе с одной дозволенной орбиты на другую, т.е. дискретными порциями, и не излучает, находясь на дозволенной орбите.
Модель Бора была первой квантовой моделью атома. Объединив в себе результаты, полученные при исследованиях радиактивности, оптических и электромагнитных явлений, она положила начало новой эпохе в развитии теории атома и сразу же обнаружила свою плодотворность в спектроскопии и химической связи.
Задача 19
Эффект Доплера и его применения. Какую роль сыграл этот эффект в развитии представлений о строении Вселенной?
Ответ
Эффект Доплера состоит в отклонении частоты волны, воспринимаемой приемником, от частоты волны, излучаемой источником, в зависимости от движения источника и приемника. В акустике изменение частоты, обусловленное эффектом Доплера, определяется скоростями движения источника и приемника по отношению к среде, являющейся носителем звуковых волн. Особой среды, которая служила бы носителем электромагнитных волн, не существует. Поэтому доплеровское смещение частоты электромагнитных волн определяется только относительной скоростью источника и приемника.
Благодаря эффекту Доплера мы знаем об однородном расширении Вселенной, измеряем скорости летающих аппаратов и многое другое.
Расширение Вселенной — самое грандиозное из известных в настоящее время явлений природы. Если допустить, что в прошлом расширение Вселенной происходило теми же темпами, что и сейчас, то можно рассчитать, когда началось расширение. Этот промежуток времени по разным оценкам составляет 13-20 млрд. лет.
Используя эффект Доплера в 1929 году Э.Хаббл при исследовании звезд-цефеид определил расстояние до ближайших галактик, а по измерениям красного смещения (линии спектра атома водорода смещаются в длинноволновую область) установил их скорости. Оказалось, что взаимосвязь этих двух величин выражается на графике прямой линией: чем дальше от нас галактика, тем больше ее скорость. Закон Хаббла утверждает, что чем быстрее движется галактика, тем более она удалена.
Прекратится ли когда-нибудь расширение Вселенной или же оно будет длиться вечно? В настоящее время еще нет определенного ответа на этот вопрос. Все зависит от соотношения между средней плотностью вещества во Вселенной и критической плотностью.
Зная среднюю плотность во Вселенной и сравнив ее с критической плотностью можно предсказать будущую судьбу нашей Вселенной. При условии, что средняя плотность меньше критической плотности, расширение будет продолжаться неограниченно долго, а если средняя плотность больше критической плотности, то рано или поздно наступит сжатие: вместо красного смещения в спектрах галактик будет наблюдаться голубое и в конце концов Вселенная вернется к сверхплотному состоянию, из которого она начала свое расширение.
Как показывают наблюдения, во Вселенной существуют какие-то формы трудно обнаруживаемой материи (скрытые массы). Это могут быть остывшие звезды, межзвездный газ или какие-то экзотические формы материи: первичные черные дыры или еще не открытые на Земле элементарные частицы.
Задача 20
Поясните понятие температуры и теплоты. Можно ли передать некоторое количество теплоты телу не повышая его температуры?
Ответ
В 1755 году Михаил Васильевич Ломоносов указал, что температура тела — степень теплоты — определяется скоростью движения частиц, тогда как количество теплоты зависит от общего количества движения этих частиц, т.е. от их кинетической энергии.
И.К.Вильке ввел единицу измерения тепла — количество теплоты, соответствующее уменьшению температуры единицы веса воды на 1оС. Это определение лежит в основе современной калории.
Таким образом, температуру можно охарактеризовать как меру хаотического движения частиц. Тепло при этом — суммарная кинетическая энергия данных частиц.
Рассмотрим пример передачи теплоты (энергии) телу без повышения его температуры. Чтобы растопить лед недостаточно только лишь довести его до температуры 0оС. Сначала затраченное тепло будет расходоваться на повышение температуры льда до указанной, но затем тепло (энергия) пойдет только на то, чтобы расплавить лед в воду. Расплавленная вода будет также иметь нулевую температуру.
Подобный эффект можно наблюдать при передаче тепла воде, когда ее температура достигла 100оС. Вся подаваемая энергия будет расходоваться только на переход воды в состояние пара. Т.е. температура в данный момент будет оставаться постоянной.
Задача 21
Идеи вечных двигателей первого и второго рода. Почему невозможно их создание?
Ответ
Рассмотри законы, определяющие направленность процессов в природе. Вселенную можно рассматривать как совокупность систем взаимодействующих между собой частиц. Системы бывают замкнутые и открытые. Замкнутая система — это система, которая не обменивается с окружающей средой ни энергией, ни веществом. Все остальные системы — открытые. Все процессы, происходящие в данных системах, делятся на необратимые и обратимые. Обратимым называют процесс, отвечающий следующим условиям:
1. Его одинаково легко можно просвети в двух противоположных направлениях;
2. В каждом из этих направлений система проходит через одни и те же промежуточные состояния.
3. После проведения прямого и обратного процесса система и окружающие ее тела возвращаются к исходному состоянию.
В реальных условиях невозможно избежать трения, как и достичь абсолютного вакуума, то есть исключить сопротивление среды. Не бывает и абсолютно упругих столкновений. Таким образом, все реальные процессы необратимы.
Система, совершая работу, отдает свою внутреннюю энергию. Если этой системе не передавать энергии извне, то внутренняя энергия этой системы должна иссякнуть. Поэтому создание вечного двигателя первого рода (вечного двигателя, производящего работу из ничего) невозможна. Другими словами, вечный двигатель должен иметь КПД>1, т.е. давать энергии больше, чем ее затребовать. Это противоречит первому началу термодинамики (закону сохранения энергии).
Возможность построения вечного двигателя второго рода (с КПД=1), который мог бы превращать в работу всю теплоту, заимствованную извне, не противоречит первому началу термодинамики. По своему значению она не уступала бы перпетуум мобиле, так как могла бы производить работу за счет почти неисчерпаемых запасов внутренней энергии, содержащихся в воде морей и океанов, атмосфере и недрах Земли. Однако создание такой машины также невозможно, так как это противоречит второму началу термодинамики. Это объясняется тем, что часть энергии (тепла) система тратит на сопротивление внешних сил, в результате чего КПД любой системы может быть только меньше единицы.
Задача 22
Поясните понятия “хаос”, “бифуркация”, “порядок”. Можно ли их применять для анализа социальных процессов, в какой степени и почему?
Ответ
Рассмотрим открытые системы. Исследование открытых систем возможно на основе термодинамики необратимых процессов: в них энтропия может возникать и переноситься. С молекулярно-кинетической точки зрения в изолированных системах положению равновесия отвечает состояние максимального хаоса.
Идея элементарного беспорядка, или хаоса, устранила противоречие между механикой и термодинамикой. На основе статистического подхода удалось совместить обратимость отдельных механических явлений (движений отдельных молекул) и необратимый характер движения из совокупности (рост энтропии в замкнутой системе).
На пути сложной системы к равновесию (порядку), которое характеризуется максимумом энтропии (энтропия — это направленность процессов в природе, а также это мера беспорядка, хаоса в системе), могут возникнуть обстоятельства, не позволяющие его достичь. В качестве таковых выступают граничные условия, которые могут быть постоянными или меняться. Стационарные состояния в открытых системах называются текущим равновесием.
Процессам, нарушающим равновесие, в системе противостоит внутренняя релаксация. Если граничные условия не позволяют системе прийти в устойчивое равновесие, где внутреннее производство энтропии равно нулю, она придет в состояние с минимальным производством энтропии.
Система, выведенная внешним воздействием из состояния с минимальным производством энтропии, стимулирует развитие процессов, направленных на ослабление внешнего воздействия.
Порядок характеризуется равновесием системы. При возникновении колебаний такая система остается в окрестности неустойчивого состояния на некоторое время. После этого система скачком переходит в момент бифуркации в автоколебательный режим. Таким образом, бифуркацию можно рассмотреть как потерю системой равновесия и ее переход к хаосу.
Переход к хаосу связан с тем, что большие системы, состоящие из множества взаимодействующих элементов, постоянно самоорганизуются, и вместе с тем достигают некоторого критического состояния, в котором даже малое событие вызывает цепную реакцию, могущую привести к катастрофе.
При исследовании социальных процессов как больших интерактивных систем пользуются часто теми же методами, что и при исследовании простых систем, считая, что принципы изучения простых систем идентичны с принципами изучения сложных. Но оказалось, что многие хаотические системы не поддаются такому сравнению.
Для этого был разработан метод самоорганизованной критичности. В этой теории считается, что составные части самостоятельно приходят к критическому состоянию. Цепные реакции таких переходов составных частей входят в общую динамику системы. Поэтому получается, что малые события вызывают тот же механизм, что и крупные. Кроме того, составные части системы никогда не достигают равновесия, а эволюционируют от одного метастабильного состояния к другому. Глобальные характеристики не зависят от микроскопических механизмов, поэтому их нельзя понять, разбивая большую систему на подсистемы и анализируя части отдельно. Этим и объясняется возможность анализа социальных процессов как систем, но только систем как органичное целое, не разбитое на части.
Задача 23
Перечислите и поясните существующие связи между живой и неживой природой на Земле
Ответ
К связям между живой и неживой природой относят обмен веществом и энергией посредством фотосинтеза и биотического круговорота.
Процесс фотосинтеза происходит в фотосинтезирующих клетках автотрофных организмов, к которым относятся зеленые растения, водоросли и некоторые бактерии. Зеленую окраску фотосинтезирующим клеткам придают хлоропласты. Процесс фотосинтеза состоит из двух серий реакций. В первой серии реакций световая энергия расходуется на синтез АТФ (богатый энергией нуклеотид — адезинтрифосфат) и на отщепление атомов водорода от воды. Главную роль в этой серии играет пигмент хлорофилл: когда он поглощает квант световой энергии, один из его электронов отрывается от его молекулы и передается по электротранспортной цепи. В результате происходит синтез АТФ за счет энергии электрического поля. Затем АТФ поставляет энергию для второй серии реакций, известной как фиксация углерода. В результате из оксида углерода и воды образуется органическое вещество и выделяется кислород.
АТФ, таким образом, занимает центральное положение в экономике живого.
Энергия солнечного света поступает в сообщество живых организмов через зеленые растения, которые наряду с некоторыми бактериями и проститами обладают способностью к фотосинтезу. Животные, поедая растение, а хищники — травоядных животных освобождают для себя эту энергию, сжигая сахара и другие питательные вещества при помощи кислорода.
Основу биосферы составляет биотический круговорот органических веществ при участии населяющих ее организмов. Зеленые растения создают органическое вещество, незеленые разрушают его. Из минеральных соединений, полученных из распада органического вещества, новые зеленые растения строят новое органическое вещество и так без конца.
Каждый вид — это только звено в биотическом круговороте. Непрерывность жизни обеспечивается процессами синтеза и распада, каждый организм отдает или выделяет то, что используют другие организмы. Особенно велика в этом круговороте роль микроорганизмов, которые превращают остатки животных и растений в минеральные соли и простейшие органические соединения, вновь используемые зелеными растениями для синтеза новых органических веществ. Микроорганизмы быстро приспосабливаются к разным условиям жизни и могут использовать различные субстраты в качестве источника углерода и энергии. Высшие организмы не обладают такими способностями и потому располагаются выше одноклеточных в экологической пирамиде, опираясь на них, как на фундамент.
Задача 24
Сравните распространение видов на суше и в воде по биомассе, по разнообразию видов. С чем связано различие?
Ответ
Многие исследователи пытались подсчитать число видов, населяющих нашу планету. Т. Добржанский насчитал 1 млн. видов животных, что почти в 4 раза превосходит численность видов растений — 265,5 тыс., т.е. животный мир более разнообразен (по современным оценкам животных — от 1,5 до 2 млн., растений — около 500 тыс.). Но среди животных ? приходится на долю членистоногих, и энтомологи считают, что почти столько же видов до сих пор не открыто. Позвоночные составляют менее 4%, из них половина приходится на виды рыб, а млекопитающих — еще на порядок меньше. Из 3500 видов млекопитающих 2500 относятся к грызунам.
В растительном мире около 150 тыс. видов покрытосеменных (цветковых) растений, развивающихся из голосеменных (семенных папоротников или близких к ним растений). Покрытосеменные — деревья, кустарники, травы — образуют растительный покров Земли. Водоросли (14 тыс.) идут после грибов (70 тыс.) и мхов (15 тыс.).
Такое распределение численности видов на Земле не случайно — оно сформировалось путем длительной эволюции. Из процентного соотношения сухопутных и водных (7%) видов можно заключить, что возможность видообразования на суше была выше, чем в воде, и выход на сушу, носивший выборочный характер, открыл перспективы прогрессивной эволюции. На суше преобладают растения, а в воде — животные.
От количественных соотношений разнообразных видов живой природы перейдем к соотношениям их общих масс, или биомасс. Мировой океан занимает около 70,8 % земной поверхности, но его биомасса составляет всего 0,13 % суммарной массы живых организмов. Масса живого вещества сосредоточена в основном в сухопутных растениях. Организмов, не способных к синтезу, менее 1 %, хотя по числу видов они составляют 1/5 всех организмов. На 79 % видов животных приходится 1 % всей биомассы Земли. Отсюда следует вывод: чем выше уровень видовой дифференциации, тем меньше соответствующая ему биомасса, и наоборот.
Задача 25
В чем заключается техногенное влияние цивилизации на климатические изменения? Каковы перспективы изменения климата?
Ответ
Современная цивилизация началась в последнюю межледниковую эпоху, получившую название голоцена. Хотя в эпоху были периоды с разными климатическими условиями, диапазон изменений климата был значительно меньше, чем при переходе от ледниковья к межледниковью. Резкие изменения климата могут катастрофически сказаться на развитие цивилизации.
Воздействие человека на климат мешает развитию оледенений. От сжигания ископаемого органического топлива, например, в атмосферу выбрасывается порядка 5,8 млрд. тонн углерода, соответствующих примерно 20 млрд. тонн углекислого газа. Природе нужно почти миллион лет, чтобы накопить такое количество углерода в процессе фотосинтеза и поглощения углекислого газа из атмосферы. Но это, однако, не означает, что содержание углекислоты в атмосфере растет так быстро. Детальные расчеты показали, что измеренный прирост ее концентрации от количества сжигаемого топлива оказался в 3-4 раза меньше, чем можно было ожидать. Дело в том, что углекислый газ хорошо растворяется в океанской воде. Растворенную углекислоту расходует при фотосинтезе фитопланктон — она вступает в химические реакции, и углекислый кальций (мел), осажденный на дне океана, превращается в гидрокарбонат кальция.
Углекислый газ, как и пары воды, поглощает инфракрасное излучение, т.е. способствует парниковому эффекту. Сейчас содержание углекислого газа в атмосфере больше на ?, чем сто лет назад. Углекислый газ удерживает тепло и ответственен за высокие температуры на Венере, а холодный климат Марса связан с малым его количеством в атмосфере. Исследования при построении модели показали, что удвоение и учетверение количества углекислого газа в атмосфере приведет к засухам в зерновом поясе Северной Америки и увеличению влагосодержания почв в областях муссонов. Однако этот процесс должен происходить медленнее, поскольку не учитывался горизонтальный перенос тепла в океанах и вертикальный — перемешивание вод по глубине. Создавались и более сложные модели, но нет уверенности, что они верны, и получать решение пока неэкономично (из-за океана). Так что остается фактом потепление на полградуса за столетие.