1. Что такое "закон природы"

Основные взаимосвязи между силами в природе описываются с помощью физических законов и принципов. К ним относятся:

v  Принцип общей относительности (все законы физики должны быть одинаковы в любых системах отсчета)

v  Принцип постоянства скорости света в вакууме в любых системах отсчета

v  Принцип эквивалентности (никакими экспериментами невозможно отличить движение с ускорением от нахождения в однородном поле тяжести)

v  К этому списку следует добавить фундаментальные соотношения квантовой механики, описывающие микромир. К наиболее важным относится:

v  принцип неопределенности Гейзенберга, запрещающий одновременное точное измерение положения частицы в пространстве и ее импульса (количества движения)

v  принцип Паули, запрещающий иметь в одном и том же месте пространства более двух частиц с полуцелым спином (т. н. фермионов электронов, нейтронов, нейтрино) с одним и тем же импульсом.

v  Кроме того, для любой замкнутой системы должны выполняться первое и второе начало термодинамики (закон сохранения энергии и закон неубывания энтропии). По своей сути законы физики являются феноменологическими, то есть представляют собой обобщение опытных данных. В этом смысле космос часто по праву называют уникальной природной лабораторией, которой надо только умело пользоваться.

Попытки классификации взаимодействий привели к идее выделения минимального набора фундаментальных взаимодействий, при помощи которых можно объяснить все наблюдаемые явления. По мере развития естествознания этот набор менялся. В ходе экспериментальных исследований периодически обнаруживались новые явления природы, не укладывающиеся в принятый фундаментальный набор, что приводило к его расширению (например, открытие структуры ядра потребовало введения ядерных сил).

Теоретическое осмысление, стремящееся к единому, экономному описанию наблюдаемого многообразия, неоднократно приводило к «великим объединениям» внешне совершенно несхожих явлений природы. Так Ньютон понял, что падение яблока и движение планет вокруг Солнца являются результатами проявления гравитационных взаимодействий, Эйнштейн установил единую природу электрических и магнитных взаимодействий, Бутлеров опроверг утверждения о различной природе органических и неорганических веществ. В настоящее время принят набор из четырех типов фундаментальных взаимодействий: гравитационные, электромагнитные, сильное и слабое ядерные. Все остальные, известные на сегодняшний день, могут быть сведены к суперпозиции перечисленных.

Гравитационные взаимодействия обусловлены наличием у тел массы и являются самыми слабыми из фундаментального набора. Они доминируют на расстояниях космических масштабов (в мега-мире).

Электромагнитные взаимодействия  обусловлены специфическим свойством ряда элементарных частиц, называемым электрическим зарядом. Играют доминирующую роль в макромире и микромире вплоть на расстояниях, превосходящих характерные размеры атомных ядер.

Ядерные взаимодействия  играют доминирующую роль в ядерных процессах и проявляются лишь на расстояниях, сравнимых с размером ядра, где классическое описание заведомо неприменимо.

Наблюдения астрономических явлений привело человечество к ряду важнейших открытий. Самый известный и важный пример—закон всемирного тяготения. Этот закон был сформулирован И. Ньютоном на основе законов планетных движений, выведенных И. Кеплером в начале XVII в. Закон всемирного тяготения Ньютона используется до настоящего времени для изучения движения естественных и искусственных космических тел в Солнечной системе, так как релятивистские поправки к движению тела со скоростью в десятки км/с, очевидно, малы.

2. Причина и следствие

Закон отрицания указывает направление развития является выражением поступательного прогрессивного движение осуществляемого по спирали, каждый следующий виток которой как бы повторяет предыдущий, но на более высокой основе. Все формы развития в своей основе содержат механизм возникновения и уничтожения всего существующего в результате действия определенных причин. Причинность есть связь, которая всегда вызывает появление нового качества. Причинность имеет всеобщий характер. Это значит, что у любого явления или события есть своя причина, беспричинных явлений не бывает. Причиной называют взаимодействие между телами или элементами одного и того же тела, вызывающее определенные изменения во взаимодействующих телах или элементах. Причина генетически связана со следствием, производит следствие. Следствие - это изменения, появляющиеся во взаимодействующих телах или элементах в результате их взаимодействия. Причинно-следственная связь является необходимой, т.е. определенная причина при наличии соответствующих условий вызывает одно и то же следствие. Итак, причина может вызывать соответствующее следствие лишь при наличии определенных условий. От характера условий зависят способ действия данной причины и природа следствия. Причину необходимо отличить от повода. Повод сам по себе не рождает следствие. Он является лишь внешним толчком, который способствует проявлению причины. Так, общепризнанным историческим фактом считается, что убийство австрийского эрцгерцога в Сараево привело в действие причины первой мировой войны. Причина и следствие находятся в диалектическом взаимодействии. Они постоянно меняются местами. Причина сама есть следствие какого-либо явления, а вызванное ею к жизни следствие становится причиной других явлений. Но этим не ограничивается диалектика причины и следствия. Причина играет определяющую роль по отношению к следствию. Однако в реальных процессах следствие не является пассивным и в свою очередь оказывает воздействие на свою причину.

Категории "причина" и "следствие" имеют большое значение для познания и практической деятельности. Физика, биология и другие науки добились значительных результатов, вскрывая механизм причинности в изучаемых областях действительности. Однако история философии знает мыслителей, которые ставили под сомнение возможность обнаружения причин. Например, Д. Юм утверждал, что опыт по части причинности свидетельствует лишь о связи во времени. Мы только наблюдаем, что во времени, следствие появляется за причиной. И это лишь психологическая привычка ума создает иллюзию логически необходимой связи между причиной и следствием, из которой никак нельзя делать вывод о том, что после этого значит поэтому. Согласно Юму, идея причинности имеет исключительно субъективное значение. Субъективная причинность существует в виде порождения идей чувственными впечатлениями. Из привычки видеть те или иные явления повторяющимися у людей возникает уверенность в наличии закономерностей. Всеобщий и объективный характер причинности утверждается детерминизмом. Он позволял на основе знания скорости и положения объекта в одно время вычислить скорость и его положение в другое время. Такой детерминизм применим при некоторых инженерных расчетах машин, мостов и других технических сооружений. Однако современная наука установила, что механическая причинность, действующая в мире макротел, не может быть реализована в микромиру, в объяснении психических и социальных явлений. Например, природа микрочастицы не позволяет в одно и то же время точно определить ее положение и скорость и исключает возможность на основании знания состояния объекта в настоящее время однозначно предсказать его поведение в будущем. Чем точнее установлено место микрочастицы, тем неопределеннее становится ее скорость и импульс. И, наоборот, чем точнее определена скорость, тем более неопределеннее становится ее положение. В итоге у некоторых философов и физиков возникла тенденция к абсолютизации этой неопределенности, и был сделан вывод о неприменимости принципа причинности к микромиру. Поэтому основные законы квантовой теории пытались объяснить в духе индетерминизма. Проблема неопределенности явно обнаруживается при рассмотрении эволюции хаотического движения. Однако синергетика утверждает, что детерминизм здесь вовсе не исключен, ибо в движении от хаоса к порядку в самом хаотическом движении существует конечный набор параметров, детерминирующих движение к порядку.
Развитие квантовой механики, выводы синергетики позволили иначе интерпретировать принцип детерминизма. Выяснилось, что сущность детерминизма заключается не в возможности однозначно предсказывать поведение объекта в будущем на основе знания его координат и импульса в настоящем, а в признании объективной закономерной взаимосвязи и взаимообусловленности вещей, явлений и процессов реального мира. Таким образом, противоположность детерминизма и индетерминизма снимается в диалектическом принципе всеобщей связи, который допускает связь, несводимую к силовому взаимодействию. С категориями "причина" и "следствие" генетически связаны категории "необходимость" и "случайность", которые представляют собой непосредственно следующую за причинностью ступень углубления человеческого познания в мир явлений.

3. Закон Архимеда

«Эврика!» («Нашел!») — именно этот возглас, согласно легенде, издал древнегреческий ученый и философ Архимед, открыв принцип вытеснения. Легенда гласит, что сиракузский царь Герон II попросил мыслителя определить, из чистого ли золота сделана его корона, не причиняя вреда самому царскому венцу. Взвесить корону Архимеду труда не составило, но этого было мало — нужно было определить объем короны, чтобы рассчитать плотность металла, из которого она отлита, и определить, чистое ли это золото. Дальше, согласно легенде, Архимед, озабоченный мыслями о том, как определить объем короны, погрузился в ванну — и вдруг заметил, что уровень воды в ванне поднялся. И тут ученый осознал, что объем его тела вытеснил равный ему объем воды, следовательно, и корона, если ее опустить в заполненный до краев таз, вытеснит из него объем воды, равный ее объему.                                                                                                            Архимед открыл принцип плавучести. Твердое тело погруженное в жидкость/газ, подвержено действию выталкивающей силы, равной весу жидкости, вытесненной телом. Давление, которое ранее действовало на вытесненную жидкость, теперь будет действовать на твердое тело, вытеснившее ее. И, если действующая вертикально вверх выталкивающая сила окажется больше силы тяжести, тянущей тело вертикально вниз, тело останется наплаву; в противном случае оно пойдет ко дну. Говоря современным языком, тело плавает, если его средняя плотность меньше плотности жидкости, в которую оно погружено.                                                                                                                                                                   Закон Архимеда можно истолковать с точки зрения молекулярно-кинетической теории. В покоящейся жидкости давление производится посредством ударов движущихся молекул. Когда некий объем жидкости вымещается твердым телом, направленный вверх импульс ударов молекул будет приходиться не на вытесненные телом молекулы жидкости, а на само тело, чем и объясняется давление, оказываемое на него снизу и выталкивающее его в направлении поверхности жидкости. Если же тело погружено в жидкость полностью, выталкивающая сила будет по-прежнему действовать на него, поскольку давление нарастает с увеличением глубины, и нижняя часть тела подвергается большему давлению, чем верхняя, откуда и возникает выталкивающая сила. Таково объяснение выталкивающей силы на молекулярном уровне.Такая картина выталкивания объясняет, почему судно, сделанное из стали, которая значительно плотнее воды, остается на плаву. Дело в том, что объем вытесненной судном воды равен объему погруженной в воду стали плюс объему воздуха, содержащегося внутри корпуса судна ниже ватерлинии. Если усреднить плотность оболочки корпуса и воздуха внутри нее, получится, что плотность судна (как физического тела) меньше плотности воды, поэтому выталкивающая сила, действующая на него в результате направленных вверх импульсов удара молекул воды, оказывается выше гравитационной силы притяжения Земли, тянущей судно ко дну, — и корабль плывет.

4. НЕТ - Закон всемирного тяготения

5. Квадратура круга,удвоение куба, трисекция угла, теорема Ферма, проблема четырех красок.

В задаче о квадратуре круга требуется построить циркулем и линейкой квадрат, равновеликий данному кругу.

К 1822 г. Фердинанд Линдеман доказал, что число пи трансцендентно, т. е. не является корнем никакого многочлена с целыми коэффициентами. Значит, оно и не квадратично-иррационально, поскольку в противном случае было бы корнем какого-либо многочлена.

Так Линдеман наконец поставил точку в проблеме разрешимости посредством циркули и линейки последней из трёх классических задач древности.                                                        

Удвоение куба

В этой задаче требуется  построить циркулем и линейкой куб вдвое большего объёма, чем заданный.
Ребро искомого куба равно a·2^1/3, где а — ребро исходного куба. Если принять, что а= 1, то искомое ребро х есть корень уравнения X³ - 2 = 0. У данного уравнения нет рациональных, а
значит, и квадратично-иррациональных корней. Следовательно, удвоение куба нельзя осуществить циркулем и линейкой. Примерно такое расуждение было применено в начале XIX в., когда был подготовлен необходимый для этого алгебраический аппарат.                                                                        Считают, что задача об удвоении куба появилась во времена пифагорейцев, около 540 г. до н. э. Но так и не сумев с ней справиться с помощью циркуля и линейки, греки попробовали применить другие инструменты, механизмы и даже специальные кривые.  Гиппократ Хиосский, знаменитый геометр V в. до н. э., свёл удвоение куба к построению «двух средних пропорциональных» х и у для данных отрезков а и b, т.е. к. решению уравнений а : х = х : у = у : b (при b = 2а получаем х = а ·2^1/3). Эту идею удалось реализовать Платону около 340 г. до н. э. с помощью нетрадиционных чертёжных инструментов — двух прямых углов.                                                                                                                                                              Свои решения дали также крупнейшие древнегреческие математики Евдокс, Эратосфен, Аполлоний, Герон, Папп, и др.                                                                                                                                                               Никомед из Александрии (2 в. до н. э.) использовал для решения этой задачи особую кривую — конхоиду (слово «конхоидео в переводе с греческого означает «подобная раковине мидии»). Диоклес придумал для решения этой задачи замечательную кривую - циссоиду (от греч.«киссоидес» - «плющевидный»).                                                                                                                                                  Менехм примерно в 350 г. до н.э. решал задачу об удвоении куба, используя конические сечения — кривые, по которым плоскости пересекают конус. 

Трисекция угла

Несложно разделить любой угол с помощью циркуля и линейки на две, а некоторые углы - и на три равные части. Последняя операция называется  трисекцией угла.  Например, мы можем построить треть прямого угла, поделив пополам угол правильного треугольника, а проведя биссектрису в образовавшемся угле в 30°, получим угол величиной 15° — треть угла в 45°.  Есть и другие углы, для которых трисекция выполнима. Наверное, подобные построения и вселили надежду открыть способ трисекции любого угла посредством циркуля и линейки.                                                                                                                                        
Эту задачу пытались решить ещё в V в. до н. э. в Греции. Пусть а = р/3. По известной формуле, cos р = 4cos³ а - 3cos а. 
Тогда для величины х =2 cos р получается уравнение х³ - 3х - к = О, где к =2cos р. Геометрическая задача трисекции данного угла с циркулем и линейкой разрешима тогда и только тогда, когда полученное алгебраическое уравнение разрешимо в квадратных радикалах. Возьмём, например, р = 60°. Тогда уравнение примет вид  х³ - 3х - 1 = 0. Оно неразрешимо в квадратных радикалах, а потому и трисекция с помощью циркуля и линейки в данном случае невозможна. Тем более она невозможна в общем случае.
Интересно, что вообще для углов вида 360°/n с целым n трисекцию удаётся осуществить тогда и только тогда, когда n не делится на 3.

Теорема Ферма               

Большой известностью во всём мире пользуется «Великая теорема Ферма» (она же – «Большая» или «Последняя»).                                                                                                                                                            


Великой теоремой Ферма называется то заключение, которое было сделано им при чтении изданной Мезириаком «Арифметики» Диофанта. Это положение Ферма теперь формулируется как теорема в следующем виде: «Уравнение xn + yn = zn не может быть решено в рациональных числах относительно x, y и z при целых значениях показателя n, больших 2» (общеизвестно, что при n=2 такие числа существуют, например, 3, 4, 5 – числа, которые, если являются длинами сторон, образуют знаменитый треугольник Пифагора. Элементарного доказательства Великой теоремы Ферма нет ни для одного показателя n  4. Случай, когда n = 3, был доказан Эйлером ещё в 1768 году. И тот потребовал ещё много лет, чтобы теория, которой необоснованно пользовался Эйлер при своём доказательстве, была доказана Гауссом. Доказательство теоремы Ферма для случая, когда n = 5, предложили в 1825 году почти одновременно Лежен Дирихле и Лежандр. Своё доказательство Дирихле опубликовал в 1828 году, но оно было очень сложным, и в 1912 году его упростил Племель.                                                                                                        Для следующего простого показателя n = 7 теорема Ферма была доказана лишь в 1839 году Ламе. Доказательство Ламе было почти сразу же усовершенствовано Лебегом. В 1847 году Ламе объявил, что ему удалось найти доказательство теоремы Ферма для всех простых показателей n  3. Метод Ламе представлял собой весьма далёкое развитие идей Эйлера и основывался на арифметических свойствах чисел. Однако сразу же Лиувилль обнаружил в рассуждениях Ламе серьёзный пробел, чем опровергнул это доказательство. Ламе был вынужден признать свою ошибку. На ЭВМ, пользуясь идеями Куммера и Вандивера доказали справедливость теоремы Ферма для всех простых показателей n < 100000.

Проблема четырёх красок

Исторически понятие хроматического числа возникло с проблемой четырех красок. Проблема возникла в математике в середине 19 века. Первоначально вопрос формулировался так: сколько нужно красок для раскраски любой географической карты, при которой соседние страны раскрашены в разные цвета? Под географической картой понимается разбиение плоскости на конечное число связных областей, стран, границы которых состоят из замкнутых непрерывных линий без самопересечений, а соседними являются страны, имеющие общую границу ненулевой длины. Довольно очевидно, что четырех красок недостаточно. и вопрос формулировался обычно в более конкретном виде: достаточно ли четырех красок для раскраски любой географической карты? Это и есть проблема четырех красок. Положительный ответ на вопрос называется гипотезой четырех красок.                                                                                                                                             Проблема раскраски географических карт сводится к проблеме (правильной) раскраски плоских графов. Проиллюстрируем это сведение картой, изображенной на рис.5.9.

На рисунке изображена карта, имеющая пять стран (внешняя область - тоже страны). Внутри каждой страны зафиксируем точку, точки соединим ребром, если страны имеют общую границу. (На рис.5.9 ребра проведены пунктирными линиями). Ребра при этом можно провести так, чтобы они не пересекались, т.е. чтобы полученный граф был плоским. Ясно, что раскраска карты определяет правильную раскраску графа и обратно. Проблему четырех красок можно теперь сформулировать так: достаточно ли четырех красок для правильной раскраски плоского графа?    

6. Симметрия и законы сохранения энергии.

Симметрия. Понятие симметрии изначально  появилось не в науке, а в искусстве. Группа-это математический термин.

Простейшая группа: группа фигур на плоскости:

I)

1. симметрия движения, т.е. переход в себя (симметрия относительно сдвига)
2. группы отражений, т.е. в зеркале отражает сами себя.
3.  Группы вращения  на плоскости (группа прямоугольника: после полного оборота  прямоугольник переходит в самого себя, группа прав треуг (на 120градусов),группа квадрата(на 90 ) тоже самое возможно и в 3-хмерном пространстве

II) Группа подобия (Это уже не группа движения) например раковина малюска: если увеличить  в 2 раза, то ничего не измениться) это более редкий вид симметрии.

Есть звуковые симметрии-поэзия, музыка(ритм).Объекты могут быть более или  менее симметричны, например: окружность симметричнее  всех многоугольников, сотносительно группы вращения, а прямая относительно группы сдвига.

Законы сохранения.

Некоторые величины в изолированных  системах, сохраняются, тою система меняется, но некотор.  особо важные величины сохраняются.

Закон сохранения импульса  имомента импульса (вращательный момент).

Закон сохранения энергии (самый важный закон для физики) (XIXв.)так долго не могли открыть этот закрн так не знали всех видов (взаимодействия энергии)

Сейчас уже хорошо описаны все виды взаимодействий. доказано, что во всех энергия сохраняется!

Закон сохранения энергии

Закон сохранения энергии - следствие симметрии природы относительно сдвигов во времени. Допустим, что неравномерность хода времени проявилась в том, что, начиная с некоторого момента времени, стала периодически изменяться постоянная всемирного тяготения.

Связь законов сохранения с симметрией системы.

Ответ на естественный вопрос о том, почему справедливы законы сохранения в физике был найден сравнительно недавно. Оказалось, что законы сохранения возникают в системах при наличии у них определенных элементов симметрии. (Элементом симметрии системы называется любое преобразование, переводящие систему в себя, т.е. не изменяющее ее. Например элементом симметрии квадрата является поворот на прямой угол вокруг оси, проходящей через его центр - “ось вращения четвертого порядка”).

Глобальные законы сохранения связаны с существованием таких преобразований, которые оставляют неизменными любую систему. К ним относятся:

Закон сохранения энергии, являющийся следствием симметрии относительно сдвига во времени (однородности времени).

Закон сохранения импульса, являющийся следствием симметрии относительно параллельного переноса в пространстве (однородности пространства).

Закон сохранения момента импульса, являющийся следствием симметрии относительно поворотов в пространстве (изотропности пространства).

Закон сохранения заряда, являющийся следствием симметрии относительно замены описывающих систему комплексных параметров на их комплексно сопряженные значения.

Закон сохранения четности, являющийся следствием симметрии относительно операции инверсии (“отражения в зеркале”, меняющего “право” на “лево”).

Закон сохранения энтропии, являющийся следствием симметрии относительно обращения времени.

7. Вечный двигатель.

До того, как был открыт закон сохранения энергии, в течение столетий упорно делались попытки создать такую машину, которая позволяла бы совершать больше работы, чем затрачивается энергии. Она заранее получила название " perpetuum mobele".

Вечный двигатель — воображаемый, но неосуществимый двигатель, который после пуска его в ход совершает работу неограниченно долгое время

Вечные двигатели обычно конструируют на основе использования следующих приёмов или их комбинаций:

Подъём воды с помощью архимедова винта;

Подъём воды с помощью капилляров;

Использование колеса с неуравновешивающимися грузами;

Природные магниты;

Электромагнетизм;

Пар или сжатый воздух.

Идея вечного движения была очень популярна в средние века. Обладание таким секретом такого двигателя казалось более заманчивым, чем даже искусство делать золото из недрагоценных металлов. Множество людей занималось этой неразрешимой проблемой. Среди них были даже люди с неплохим по тем временам образованием. Известно, что множество трудов Ньютона содержат конструкции вечного двигателя. В записях Леонардо да Винчи тоже были найдены несколько набросков perpetuum mobile.                                 Наиболее часто встречающаяся модель вечного двигателя основана на применении колеса с неуравновешенными грузами. Машина состоит из двух колес (шкивов), помещенных в верхней и нижней частях башни, наполненной водой. Через шкивы переброшен бесконечный канат с прикрепленными к нему легкими ящикам. Автор проекта уверял, что правые на рисунке ящики, всплывая под действием архимедовой силы, заставляют вращаться колеса. На смену всплывающим ящикам в воду будут входить другие, поддерживая " вечное движение".                                                                                                        Сравнительно мало предпринималось попыток создания вечных двигателей второго рода. Для работы обычного теплового двигателя необходимо иметь нагреватель  и холодильник. Очень заманчивой кажется задача создания тепловой машины, которая могла бы совершать механическую работу с использованием нагревателя.                                                                                                                                                                  Можно подсчитать, что при охлаждении мирового океана только на один градус можно получить энергию, достаточную для обеспечения всех потребностей человечества при современном уровне её потребления на 14000 лет.                                                                                                                                                              Двигатели, которые работают за счёт разности энергий, возникающей во времени и пространстве, появились давно. Часть из них действует по очень простому и вполне ясному принципу. Но есть и такие, которые можно принять за вечный двигатель второго рода: разобраться, почему они работают, совсем непросто.        Считается, что первое подобное устройство изготовил голландец Корнелиус Дреббель (1572 — 1634), талантливый инженер и физик. В 1598 г. он запатентовал, а спустя девять лет продемонстрировал английскому королю Якову I  «вечные» часы, которые не требовали подзавода: их гири поднимало постоянно меняющееся атмосферное давление.                                                                                                          В начале 60-х гг. ХХ в. мировую сенсацию произвела игрушка, получившая в СССР название «вечно пьющая птичка» или «птичка Хоттабыча».                                                                                                               Тонкая стеклянная колбочка с горизонтальной осью посередине впаяна в небольшую ёмкость. Свободным концом колбочка почти касается её дна. В нижнюю часть игрушки налито немного жидкости, а верхняя, пустая, обклеена снаружи тонким слоем ваты. Декоративный клюв, подставка в виде лапок и хвостик из пёрышка довершают облик забавной птички. Перед игрушкой ставят стаканчик с водой и наклоняют её, заставляя «попить». И тут происходит нечто удивительное: не дожидаясь повторного приглашения, птичка начинает два-три раза в минуту наклоняться и окунать головку в стаканчик Раз за разом, непрерывно, днём и ночью кланяется птичка, пока в стаканчике не кончится вода.                                                                   Механизм такого явления понятен: жидкость в нижней ёмкости испаряется под влиянием комнатного тепла, давление растёт и вытесняет жидкость в трубочку. Верхняя часть игрушки перевешивает, она наклоняется, и пар уходит в головку птички. Давление выравнивается, жидкость стекает в нижнюю ёмкость. Теперь уже она перевешивает и возвращает птичку в первоначальное положение. Через некоторое время процесс повторяется. На первый взгляд здесь нарушается второе начало термодинамики: перепад температур отсутствует, «птичка Хоттабыча» лишь отбирает тепло из воздуха, т. е. работает за счёт «монотермического источника». Но это только на первый взгляд. Птичка не зря окунает головку в стаканчик: вода из мокрой ваты интенсивно испаряется, охлаждая верхний шарик. Возникает разность температур верхнего и нижнего сосудов, за счёт которой и «живёт» птичка. Если испарение прекратится (высохнет вата или влажность воздуха достигнет точки росы), птичка, в полном согласии со вторым началом термодинамики, двигаться перестанет.                                                                                                                                                                 Много необоснованных надежд породили и несложные бытовые устройства — кондиционеры. Некоторые их модели умеют не только охлаждать помещение, но и нагревать его, отбирая тепло у холодного уличного воздуха. Исследования показывают, что на каждый киловатт электрической мощности, подведённой к такому устройству, в комнате выделяется 2,5 кВт тепла — гораздо больше, чем от простого нагревателя. Но это не означает, что кондиционер нарушает второе начало термодинамики. Просто он работает как «тепловой насос», подобно обычному холодильнику, который тоже «выкачивает» тепло из морозильной камеры в кухню. И хотя электроэнергию «тепловой насос» использует гораздо эффективнее, чем калорифер, не меньше половины её всё-таки теряется. Мощность таких «псевдовечных двигателей» очень низка: слишком уж малы разности температур и давлений, при которых они работают. Поэтому конкурировать с традиционными источниками энергии — электростанциями — они не могут и мировых энергетических проблем не решат.                                                                                                                                                 Вечный двигатель - романтическая мечта подвижников, пытавшихся дать человечеству беспредельную власть над природой, вожделенный источник обогащения для шарлатанов и авантюристов; сотни, тысячи проектов, так никогда не осуществлённых; хитроумные механизмы, которые, казалось, вот-вот должны были заработать, но почему-то оставались в неподвижности. В самой идее вечного двигателя кроется какая-то тайна, что-то, что заставляет людей искать и искать его секрет.

8. Ивариантные величины

Инварианты (от лат. invarians, родительный падеж invariantis - неизменяющийся), числа, алгебраические выражения и т. п., связанные с каким-либо математическим объектом и остающиеся неизменными при определенных преобразованиях этого объекта или системы отсчёта, в которой описывается объект. Чтобы охарактеризовать какую-либо геометрическую фигуру и её положение с помощью чисел, обычно приходится вводить некоторую вспомогательную систему отсчёта или систему координат. Полученные в такой системе числа x₁, x₂,..., x_n характеризуют не только изучаемую геометрическую фигуру, но и её отношение к системе отсчёта, и при изменении этой системы фигуре будут отвечать другие числа x¢₁, х¢₂,..., х¢_n. Поэтому если значение какого-либо выражения f (x₁, x₂,..., x_n) характерно для фигуры самой по себе, то оно не должно зависеть от системы отсчёта, т. е. должно выполняться соотношение

f (x₁, x₂,..., x_n) = f (x¢₁, x¢₂,..., x¢_n). (1)

Все выражения, удовлетворяющие соотношению (1), называются инвариантами

Понятие И. употреблялось ещё немецким математиком О. Гессе (1844), но систематическое развитие теория И. получила у английского математика Дж. Сильвестра (1851-52), предложившего и термин "И.". Весьма плодотворный подход к понятию И. получается, если системы чисел x₁, x₂,..., x_n и x¢₁, х¢₂,..., х¢_n рассматривать не как координаты одной и той же точки относительно различных координатных систем, а как координаты различных точек в одной и той же системе координат, полученных одна из другой движением. Движения пространства образуют группу. И. относительно изменений систем координат являются также И. относительно группы движений. Отсюда путём непосредственного обобщения получается понятие И. любой группы преобразований. Теория таких И. оказывается весьма тесно связанной с теорией групп и в особенности с теорией представлений групп.

( Это из БСЕ)                                                                    

Инварианты – это величины , которые не изменяются при переходе из одной системы отсчета в др. Например, само по себе понятие скорость без системы отсчета не несет никакого значения. Есть так называемые привилегированные системы отсчета , например , Солнце в солнечной системе.

9. Понятие о ньютоновской физики

Космология-наука о мире  в очень больших масштабах ,о вселенной…

Фактически первая научная картина мира, обоснованная физически-по Ньютону: вселенная вся более менее равномерно заполнена звездами. Это была некая гипотеза проверенная на небольшие расстояния, в середине 19 века. Были обнаружены парадоксы Ньютоновской космологии:

1)      внутренние противоречия

2)      гравитационные парадоксы

3)      фонометрич. -//-

НО!!!!! Если Ньютоновская космология верна ,то небо должно сиять как солнце .Яркость участка звезды(Солнца) не будет зависеть от расстояния до него ,следовательно Ньютоновская космология не верна. 1-ая нов. модель , где  отсутствует этот парадокс-иерархическая модель Вселенной-иерархическая космология: звезды распределены более менее равномерно.только до определенных границ они образуют галактику

СКОПЛЕНИЕ ГАЛАКТИК.

Одно скопление от другого находится  на большом расстоянии. Галактика,в основном-пустота между звездами.Внутри ядра плотность атома гораздо выше. Вселенная расширяется,2-е объяснение почему мы видим свет ночью. 

10. Понятие о римановой геометрии

Риманова геометрия, многомерное обобщение геометрии на поверхности, представляющее собой теорию римановых пространств, т. е. таких пространств, где в малых областях приближённо имеет место евклидова геометрия (с точностью до малых высшего порядка сравнительно с размерами области). Риманова геометрия получила своё название по имени Б. Римана, который заложил её основы в 1854.  Понятие о римановой геометрии. Гладкая поверхность в евклидовом пространстве, рассматриваемая с точки зрения измерений, производимых на ней, оказывается двумерным пространством, геометрия которого (так называемая внутренняя геометрия), будучи приближённо евклидовой в малом (в окрестности любой точки она совпадает с точностью до малых высшего порядка с геометрией касательной плоскости), точно не является евклидовой; к тому же, как правило, поверхность неоднородна по своим геометрическим свойствам. Поэтому внутренняя геометрия поверхности и есть не что иное, как Риманова геометрия двух измерений, а сама поверхность есть двумерное риманово пространство.
Так, при измерениях на участках земной поверхности, малых в сравнении с размерами земного шара, можно с успехом применять обычную планиметрию, однако результаты измерений на больших участках обнаруживают существенное отклонение от законов планиметрии. Перенесение этих понятий на многомерные пространства приводит к общей Риманова геометрия. В основе Риманова геометрия лежат три идеи. Первая идея — признание того, что вообще возможна геометрия, отличная от евклидовой, — была впервые развита Н. И. Лобачевским, вторая — это идущее от К. Ф. Гаусса понятие внутренней геометрии поверхностей и её аналитический аппарат в виде квадратичной формы, определяющей линейный элемент поверхности; третья идея — понятие об n-мерном пространстве, выдвинутое и разработанное в 1-й половине 19 в. рядом геометров. Риман, соединив и обобщив эти идеи (в лекции «О гипотезах, лежащих в основании геометрии», прочитанной в 1854 и опубликованной в 1867), ввёл общее понятие о пространстве как непрерывной совокупности любого рода однотипных объектов, которые служат точками этого пространства, и перенёс на эти пространства представления об измерении длин малыми шагами.

11. Понятие о теории относительности

О́бщая тео́рия относи́тельности (ОТО) — физическая теория пространства-времени и тяготения, основана на экспериментальном принципе эквивалентности гравитационной и инерционной масс и предположении о линейности связи между массой и вызываемыми ею гравитационными эффектами. В рамках этой теории, являющейся дальнейшим развитием специальной теории относительности постулируется, что гравитационные эффекты вызываются не силовым взаимодействием тел и полей , находящихся в пространстве - времени , а являются проявлениями деформаций самого пространства-времени, вызываемых локальным присутствием массы-энергии. Таким образом, в ОТО, как и в других метрических теориях , гравитация — не силовое взаимодействие. Альберт Эйнштейн положил в основу общей теории относительности факт пропорциональности гравитационной массы (массы, создающей поле тяготения этого тела) его инертной массе, то есть мере сопротивления внешней силе. Второй аксиомой был принцип постоянства скорости света. Уравнения теории относительности Эйнштейна меняли представления о самом обычном – о пространстве и времени.

Ньютоновская модель Вселенной содержала в себе три основных постулата:
-стационарность , неизменность Вселенной во времени,
-однородность и изотропность, отсутствие привилегированных направлений,
- евклидовость пространства.

Эйнштейн искал статические решения для Вселенной. При обобщении ньютоновской теории всемирного тяготения, приведя ее в соответствие с принципом относительности, Эйнштейн приходит к выводу, что геометрия мира неевклидова. Присутствие тел большой массы – звезд, галактик – искривляет пространство.

Однако Эйнштейн оставляет постулат о стационарности и неизменности Вселенной, введя в свои уравнения, которые показывают, как метрика пространства зависит от распределения и движения масс, дополнительный космологический Λ-член.

Одним из фактов, противоречащих теории стационарной Вселенной, был парадокс Ольберса. Если Вселенная бесконечна и вечна, то в ней содержится бесконечное количество звезд. Куда бы мы ни посмотрели, наш взгляд непременно уперся бы в звезду. Пусть отдельные звезды будут неразличимы, но небо должно было бы сиять сплошным заревом. И, тем не менее, ночью небо темное. Для решения этого парадокса требовалась модель расширяющейся Вселенной, и в 1922 году молодой советский ученый Александр Фридман создает ее. Он предлагает математический расчет изменения плотности материи для однородной и изотропной Вселенной, начиная с состояния с очень высокой плотностью – так называемого сингулярного состояния вещества (по современным оценкам эта плотность равна ρ = 5∙10⁹⁶ кг/м³). Решив уравнения Эйнштейна, Фридман показал, что наш мир не может быть стационарным: Вселенная либо расширяется, либо сжимается.

Справедливость общей теории относительности доказывается экспериментальными подтверждениями , какими являются отклонение луча света, проходящего вблизи Солнца или других массивных тел (гравитационные линзы), а также изменение частоты света в гравитационном поле.

12. Описание физической реальности с помощью сил,полей, экстремалей.

Физика. Астрономия. Космология.

Физика описывает фундаментальную материю, взаимодействие и движение материи.   a=t/m …..

Сила сообщает телу ускорение. дифференциальные  ур-ния имеют бесконечное кол-во решений,но не смотря на это сущ-вует теорема единственности. ТЕОРЕМА: Если известно состояние системы в некоторый момент  t=0 ,известны силы, действующие на систему, тогда соотнесенные дифференциальные ур-ния имеют единственное решение. В физике появляются более сложные Ур-ния но на самом деле они мало чем отличаюся. Главный недостаток описания с помощью системы СИ: . Есть силы,  которые действуют на близком расстоянии, но есть и дальнодействующие силы(солнце притягивает Землю, электрические силы,магнитные).С 18 века описание с помощью электрических и магнитных полей. Тело создает вокруг себя некое физ поле ,которое воздействует на предметы .Поле распространяется с конечной скоростью, как правило,со скоростью света…каждое поле имеет математическое описание.  Поле в науке- конкретная вещь: температ. Поле, векторное…в В каждой точке пространства- вектор ускорения(скорости),вызванный гравитацией .Пространство заполнено различными полями ,взаимодействе между отдельными  обьектами осущ. через поле наход между ними .В механике в 18 веке выяснилось,что движение реальной системы осущ. таким образом что некоторые величины достигают минимальных значений…-принцип наименьшего действия…Финальная траектория-та на которой действие достигает мин значения.Все три подхода эквивалентны,дают одинаковый результат.

В воде свет распространяется медленнее чем  в воздухе, угол падения=углу отражения.

13. Первое и второе начала термодинамики

Первое начало термодинамики — одно из основных положений термодинамики, являющееся, по существу, законом сохранения энергии в применении к термодинамическим процессам.

Первое начало термодинамики было сформулировано в середине XIX века в результате работ Ю. Р. Майера, Джоуля и Г. Гельмгольца. Первое начало термодинамики часто формулируют как невозможность существования вечного двигателя 1-го рода, который совершал бы работу, не черпая энергию из какого-либо источника.

1) Количество теплоты, полученное системой, идёт на изменение её внутренней энергии и совершение работы против внешних сил.

2) Изменение внутренней энергии системы при переходе её из одного состояния в другое равно сумме работы внешних сил и количества теплоты, переданного системе и не зависит от способа, которым осуществляется этот переход.

Первый закон (первое начало) термодинамики можно сформулировать так:

«Изменение полной энергии системы в квазистатическом процессе равно количеству теплоты Q, сообщённого системе, в сумме с изменением энергии, связанной с количеством вещества N при химическом потенциале μ, и работы A', совершённой над системой внешними силами и полями, за вычетом работы A, совершённой самой системой против внешних сил» :

ΔU = Q − A + μΔN + A'.

Для элементарного количества теплоты δQ, элементарной работы δA и малого приращения (полного дифференциала) dU внутренней энергии первый закон термодинамики имеет вид:

dU = δQ − δA + μdN + δA'.

Разделение работы на две части, одна из которых описывает работу, совершённую над системой, а вторая — работу, совершённую самой системой, подчёркивает, что эти работы могут быть совершены силами разной природы вследствие разных источников сил.

Важно заметить, что dU и dN являются полными дифференциалами, а δA и δQ — нет. Приращение теплоты часто выражают через температуру и приращение энтропии: δQ = TdS.

Второе начало термодинамики — физический принцип, накладывающий ограничение на направление процессов передачи тепла между телами.

Второе начало термодинамики запрещает так называемые вечные двигатели второго рода, показывая, что невозможно всю внутреннюю энергию системы превратить в полезную работу.

Второе начало термодинамики является постулатом, не доказываемым в рамках термодинамики. Оно было создано на основе обобщения опытных фактов и получило многочисленные экспериментальные подтверждения.

Существуют несколько эквивалентных формулировок второго начала термодинамики:

Постулат Клаузиуса: «Невозможен процесс, единственным результатом которого являлась бы передача тепла от более холодного тела к более горячему» (такой процесс называется процессом Клаузиуса).

Постулат Томсона: «Невозможен круговой процесс, единственным результатом которого было бы производство работы за счет охлаждения теплового резервуара» (такой процесс называется процессом Томсона).

Эквивалентность этих формулировок легко показать. В самом деле, допустим, что постулат Клаузиуса неверен, то есть существует процесс, единственным результатом которого была бы передача тепла от более холодного тела к более горячему. Тогда возьмем два тела с различной температурой (нагреватель и холодильник) и проведем несколько циклов тепловой машины забрав тепло Q1 у нагревателя, отдав Q2 холодильнику и совершив при этом работу A = Q1 − Q2. После этого воспользуемся процессом Клаузиуса и вернем тепло Q2 от холодильника нагревателю. В результате получается, что мы совершили работу только за счет отъёма теплоты от нагревателя, то есть постулат Томсона тоже неверен.

С другой стороны, предположим, что неверен постулат Томсона. Тогда можно отнять часть тепла у более холодного тела и превратить в механическую работу. Эту работу можно превратить в тепло, например, с помощью трения, нагрев более горячее тело. Значит, из неверности постулата Томсона следует неверность постулата Клаузиуса.        Таким образом, постулаты Клаузиуса и Томсона эквивалентны.   

Другая формулировка второго начала термодинамики основывается на понятии энтропии:

«Энтропия изолированной системы не может уменьшаться» (закон неубывания энтропии).

Такая формулировка основывается на представлении об энтропии как о функции состояния системы, что также должно быть постулировано.

В состоянии с максимальной энтропией макроскопические необратимые процессы (а процесс передачи тепла всегда является необратимым из-за постулата Клаузиуса) невозможны.

14. Самоорганизация

САМООРГАНИЗАЦИЯ - целенаправленный процесс, в ходе которого создается, воспроизводится или совершенствуется организация сложной динамической системы. Свойства самоорганизации обнаруживают объекты различной природы: клетка, организм, биологическая популяция, биогеоценоз, человеческий коллектив. Термин "самоорганизующаяся система" ввел английский кибернетик У. Р. Эшби (W.R. Ashby, 1947).

Самоорганизация – процесс превращения из чего – то простого чего – то сложного. В природе этот процесс происходит сам по себе ( в астрономии из диффузного облака появляется звезда). Синергетика – наука , изучающая возникновение структур из хаоса.

( из конспекта)

Самоорганизация

Почему из хаоса возникают сложные, упорядоченные системы.
Образование упорядоченных структур, происходящие не за счет действия внешних сил (факторов), а в результате внутренней перестройки системы, называется самоорганизацией. Самоорганизация - фундаментальное понятие, указывающее на развитие в направлении от менее сложных объектов к более сложным и упорядоченным формам организации вещества.
В каждом конкретном случае самоорганизация проявляется по-разному, это зависит от сложности и природы изучаемой системы.



Разномасштабные самоорганизующиеся системы независимо от того, к какому разделу науки они относятся, имеют единый алгоритм перехода от менее сложных и менее упорядоченных к более сложным и более упорядоченным состояниям.
Разработкой теории самоорганизации занимаются несколько научных дисциплин:
1. Термодинамика неравновесных (открытых) систем.

2. Синергетика.

3. Теория катастроф.

15. Стрела времени

Время - неотъемлемая составляющая нашего бытия. Веками пленяло оно воображение художников, философов, поэтов. Включение времени в галилеевскую механику ознаменовало рождение новой науки.

Тем не менее во всех явлениях макроскопической физики, химии, геологии, биологии или гуманитарных наук будущее и прошлое неравноправны - в них присутствует стрела времени. Каким же образом, где она возникает, если в исходных физических законах ее нет? Откуда появляется асимметрия между прошлым и будущим? Или, может быть, воспринимаемая нами направленность времени - это не более чем иллюзия? Так мы приходим к главному парадоксу времени.

Парадокс времени не был осмыслен вплоть до второй половины XIX века.

В последние десятилетия родилась новая наука - физика неравновесных процессов, связанная с понятиями самоорганизации и диссипативных структур. Если прежде стрела времени проникала в физику через такие простые процессы, как диффузия и вязкость, которые еще можно понять, исходя из обратимой во времени динамики, то ныне ситуация иная. Теперь мы знаем, что необратимость приводит к множеству новых явлений - образованию вихрей, колебательным химическим реакциям или лазерному излучению. Во всем этом необратимость играет конструктивную, организующую роль. Невозможно представить жизнь в мире, лишенном взаимосвязей, которые создаются принципиально необратимыми процессами. Следовательно, утверждать, будто стрела времени - "всего лишь феноменология" и обусловлена способом нашего описания природы, с научной точки зрения абсурдно.

Прототипом универсального закона природы может служить один из законов Ньютона, который кратко формулируют так: ускорение пропорционально силе. Этот закон имеет две важные особенности. Он детерминистичен: коль скоро начальные условия известны, мы можем предсказывать движение. И он обратим во времени: между предсказанием будущего и восстановлением прошлого нет никакого различия; иными словами, движения от текущего к будущему состоянию и обратно - от текущего к начальному - равноправны.

Закон Ньютона лежит в основе классической механики - науки о движении материи, о траектории.

Начнем с рассмотрения классической динамики. Представляется, что все системы, описываемые законами Ньютона, в чем-то одинаковы. Конечно, каждому известно, что рассчитать траекторию системы трех тел, например Солнца, Земли и Юпитера, труднее, чем траекторию падающего камня, но эти трудности считали непринципиальными, связанными только с большим объемом вычислений. Однако в последние десятилетия выяснилось, что подобное мнение неверно - не все динамические системы одинаковы. Оказалось, что такие системы подразделяются на устойчивые и неустойчивые. Так, маятник устойчив: слабые возмущения мало сказываются на его движении; но для большинства динамических систем малые начальные отклонения постепенно возрастают. Крайний случай неустойчивых систем - так называемые хаотические системы, для которых описание в терминах траекторий становится недостаточным, поскольку первоначально сколь угодно близкие траектории со временем экспоненциально расходятся. 

16. Роль прибора и экспериментатора в естественных науках

Опыт и  наблюдения.

Опыт выделяет нужное и удаляет по возможности отвлекающее. В астрономии это практически не возможно. Изучение проще, когда объектов много, когда они уникальны –это трудно.

Св-ва объекта – не бывает свойств отдельно взятого объекта , существует  только результат взаимодействия как минимум 2х объектов + регистратор  их свойств.

Объективность – это когда из процесса наблюдения исключен регистратор.

Существует вопрос – существуют ли свойства если нет регистрирующего устройства. 

Все необходимо рассматривать в сравнении.

17. Детерминизм классической (не квантовой)физики

Детермини́зм (от лат. determine — определяю) — учение о первоначальной определяемости всех происходящих в мире процессов, включая все процессы человеческой жизни, со стороны Бога (теологический детерминизм, или учение о предопределении), или только явлений природы (космологический детерминизм), или специально человеческой воли (антропологическо-этический детерминизм), для свободы которой, как и для ответственности, не оставалось бы тогда места.

Детерминизм может перейти, при неполном истолковании, в фатализм.

Противоположность — индетерминизм.

Все определено в этом мире и ничто не в состоянии этого изменить. Однако, всякое действие вызывает следствие подобно всему тому, что происходит в этой жизни. На принципе детерминизма построена вся классическая физика, за исключением термодинамики и молекулярной физики. Детерминизм подразумевает выполнение обратимости времени, то есть частица придет в исходное состояние, если обратить время. Каждая траектория единственным образом определяется начальными условиями. Всё это находится в замечательном согласии с экспериментальными данными макромира.

В 16-17 в.в. понятие Д. начинает приобретать новый смысл — смысл обусловленности — и употребляется в этике для выражения позиции, противостоящей «свободе воли». В 17 в. в период выработки элементарных понятий механики происходит сближение понятия Д. и причинности, устанавливается тесная связь категории закономерности и причинности, закладываются основы механистического Д. Успехи механики закрепляют представления об исключительно динамическом характере закономерностей, об универсальности причинной обусловленности. Причинность становится формой выражения законов науки, содержанием детерминистской формы объяснения явлений.

Полное и гармоническое слияние механической причинности и Д. происходит в концепции Д. Лапласа. Центральной становится идея о том, что всякое состояние Вселенной есть следствие предыдущих и причина последующих ее состояний. Сформированное им понятие причинно-следственных цепей, последующее отождествление этого понятия с понятием связи состояний и теоретико-механическим представлением о движении окончательно утверждают универсальный объяснительный статус ла-пласовского Д. Одновременно с этим процессом в концепции лапласовского Д. наметился выход за рамки механистической методологии в силу немеханистического, но статистического, вероятностного характера закономерностей, которые исследовались Лапласом.

18. Четыре основных взаимодействия

Всё многообразие физических сил и взаимодействий, действующих в природе, сводится к четырем основным взаимодействиям: гравитационному, электромагнитному, слабому и сильному.

Гравитационное взаимодействие - сила всемирного тяготения действует на все тела и частицы. По сравнению с другими взаимодействиями оно очень мало и в мире элементарных частиц практически не сказывается. Тяготение становится заметным только на больших расстояниях (где другие силы не сказываются) и для тел большой массы.

Электромагнитные силы, в отличие от гравитационных, действуют не на все тела и частицы, а только на электрически заряженные. Было время, когда электрические и магнитные явления, известные с незапамятных времен, рассматривались как две различные силы. Но затем была установлена тесная взаимосвязь между ними: движение электрических зарядов порождает магнитное поле, а изменение магнитного поля создает электрический ток. В теории Максвелла (XIX век) электрические и магнитные явления были объединены в единое электромагнитное взаимодействие.

Еще более специфическим является слабое взаимодействие. Оно характеризует все типы процессов с участием нейтрино, в частности радиоактивный распад. В отличие от гравитационного и электромагнитного взаимодействий, которые изменяют только внешнее состояние движения частиц, слабое взаимодействие изменяет внутреннюю природу самих частиц (например, нейтрон превращается в протон, электрон и нейтрино). В обычных условиях оно слабее электромагнитного (и тем более сильного) - отсюда и его название.

Наконец, сильное взаимодействие характеризует ядерные силы, которые удерживают протоны и нейтроны в атомных ядрах.

Важной особенностью слабых и сильных взаимодействий является то, что они проявляются только на очень маленьких расстояниях. Радиус действия ядерных сил порядка 10-13 см, а для слабых взаимодействий - порядка 10-16 см. Поэтому в масштабах макромира эти взаимодействия не сказываются. Здесь действуют только гравитационные и электромагнитные силы.

Создатель теории относительности Альберт Эйнштейн мечтал о создании теории, в которой были бы объединены все силы природы. В течение многих лет, практически всю вторую половину жизни, он напряженно работал над созданием такой теории. Однако ему не удалось решить эту задачу. Она была решена уже после его смерти.

Вначале удалось объединить теории электромагнитного и слабого взаимодействия в единую теорию электрослабого взаимодействия. Затем она была объединена с теорией сильного взаимодействия. Эту синтетическую теорию физики назвали теорией Великого объединения. И, наконец, была создана (еще до конца не завершенная) теория Суперобъединения, которая интегрирует все виды физических взаимодействий в одно единое универсальное взаимодействие.

Очень важное обстоятельство состоит в том, что невозможно добиться объединения всех взаимодействий в рамках трехмерного мира. Теория Суперобъединения требует введения многомерных пространств. Наименьшее число пространственных измерений, для которых удается построить теорию, равно 10. То есть мы имеем 10-ти мерное пространство, или 11-ти мерный пространственно-временной мир. Отсюда следует, что КОСМОС МНОГОМЕРЕН.

В соответствии с типами взаимодействий, все элементарные частицы делятся на два больших класса: сильно взаимодействующие частицы, или адроны, и частицы, не участвующие в сильных взаимодействиях - лептоны. К последним относятся электрон, тау-лептон и три вида нейтрино (а также соответствующие им античастицы). Что касается адронов, то они, строго говоря, не являются элементарными, ибо, как было установлено, они состоят из фундаментальных частиц - кварков. В условиях, которые существуют во Вселенной в современную эпоху, кварки в свободном виде не встречаются, они существуют только в составе адронов. Но в ранней Вселенной кварки существовали в свободном виде. Силы, которые удерживают кварки в составе адронов, также относятся к сильному взаимодействию.

Адроны, в свою очередь подразделяются на два вида частиц: мезоны и барионы. Каждый мезон состоит из кварка и антикварка, а барион - из трех кварков. К барионам относятся протоны и нейтроны, которые входят в состав атомных ядер (а также нестабильные частицы - гипероны).

Физические взаимодействия осуществляются с помощью частиц-переносчиков. Переносчиком гравитационного взаимодействия являются кванты гравитационного поля - гравитоны, переносчиками электромагнитного взаимодействия - фотоны, а переносчиками сильного взаимодействия - глюоны. В отличие от частиц материи - фермионов, к которым относятся и адроны и лептоны, частицы переносчики называют бозонами. Кроме перечисленных выше (гравитонов, фотонов и глюонов) существуют и другие виды бозонов, но мы на них останавливаться не будем. На этом мы закончим экскурсию и вернемся к ранней Вселенной.

19. Принцип неопределенности в квантовой механике

Этот принцип впервые сформулировал выдающийся немецкий физик Вернер Гейзенберг (1901—1976) в виде соотношения неточностей при определении сопряженных величин в квантовой механике, который теперь обычно называют принципом неопределенности. Суть его заключается в следующем: если мы стремимся определить значение одной из сопряженных величин в квантово-механическом описании, например, координаты х, то значение другой величины, а именно скорости или скорее импульса р = mv, нельзя определить с такой же

точностью. Иначе говоря, чем точнее определяется одна из сопряженных величин, тем менее точной оказывается другая величина. Это соотношение неточностей, или принцип неопределенности, выражается следующей формулой:

где х — обозначает координату, р — импульс, h — постоянную Планка, а Δ — приращение величины.

Таким образом, принцип неопределенности постулирует:

Невозможно с одинаковой точностью определить и положение, и импульс микрочастицы. Произведение их неточностей не должно превышать постоянную Планку.

Из принципа неопределенности непосредственно следует, что вполне возможно осуществить эксперимент, с помощью которого можно с большой точностью определить положение микрочастицы, но в таком случае ее импульс будет определен неточно. Наоборот, если импульс будет определен с возможной степенью точности, тогда ее положение станет известным недостаточно точно.

В квантовой механике любое состояние системы описывается с помощью так называемой "волновой функции", но в отличие от классической механики эта функция определяет параметры ее будущего состояния не достоверно, а лишь с той или иной степенью вероятности. Это означает, что для того или иного параметра системы волновая функция дает лишь вероятностные предсказания. Например, будущее положение какой-либо частицы системы будет определено лишь в некотором интервале значений, точнее говоря, для нее будет известно лишь вероятностное распределение значений.

Таким образом, квантовая теория фундаментально отличается от классической тем, что ее предсказания имеют лишь вероятностный характер и потому она не обеспечивает точных предсказаний, к каким мы привыкли в классической механике. Именно эта неопределенность и неточность ее предсказаний больше всего вызывает споры среди ученых, некоторые из которых стали в связи с этим говорить об индетерминизме квантовой механики.

20. Население Солнечной системы

Солнечная система представляет собой группу планет, их спутников, множество астероидов и метеоритных тел. Все пла­неты Солнечной системы обращаются вокруг Солнца в одном направлении и почти в одной плоскости. Солнце представляет собой звезду среднего размера, его радиус около 700 тыс. км. Возраст Солнца оценивается примерно в 5 млрд лет. Считается, что звезды первого поколения имеют воз­раст на 8—10 млрд лет больше. В Галактике существуют также молодые звезды, которым всего от 100 тыс. до 100 млн лет. Солнечная система обращается вокруг центра Галактики со скоро­стью около 220 км/с. Солнце овершает один оборот вокруг центра Галактики за 250 млн лет. Этот период называют галак­тическим годом. Источником солнечной энергии являются термоядерные реакции превращения водорода в гелий, которые происходят в недрах. В Солнечной системе насчитывают девять планет, которые расположены в следующем порядке от Солнца: Меркурий, Венера, Земля, Марс, Юпитер, Сатурн, Уран, Нептун, Плутон. Между Марсом и Юпитером находится кольцо астерои­дов, которые также движутся вокруг Солнца. Размеры планет значительно меньше Солнца. Все пла­неты Солнечной системы, а также их спутники светят отражен­ным светом Солнца, именно поэтому они могут наблюдаться в телескопы. Считается, что все планеты Солнечной системы возникли почти одновременно примерно 4,6 млрд лет назад. Исчерпывающей и во всех смыслах удовлетворительной теории образования Солнечной системы пока не создано, во всех моделях существуют неясности и проти­воречия, которые требуют разрешения. Все планеты Солнечной системы можно разделить на две группы: планеты-гиганты (Юпитер, Сатурн, Уран, Нептун) и планеты земного типа (Меркурий, Венера, Земля, Марс, Плу­тон). Поверхность планет формируется под действием двух типов факторов: эндогенных и экзогенных. Эн­догенные факторы — это процессы в ядре планеты, которые ме­няют ее внешний облик: перемещения участков коры, вулкани­ческие извержения, горообразование и т.п. Экзогенные факторы связаны с внешними воздействиями: химические реакции при соприкосновении с атмосферой, изменения под действием ветра и осадков, падение метеоритов. К особым космическим объектам относятся кометы. Кометы представляют собой небольшие тела диаметром от 5 до 10 км, со­стоящие из водяного льда с вкраплениями льдов летучих соеди­нений. Согласно современным данным, кометы являются побоч­ным продуктом формирования планет-гигантов. Основная масса кометы сосредоточена в ее ядре. Под воздействием космического излучения из ядра кометы выделяются газы, образующие голову и хвост кометы, который может достигать несколько миллионов километров в длину. Кометы живут сравнительно недолго: от не­скольких столетий до нескольких тысячелетий.