Макромир и микромир. Их взаимосвязь. Современная картина мира

"Наблюдение, размышление и опыт — вот что составляет так называемый научный метод".

Физика — это наука о природе. Она возникла из стремления понять и описать окружающий нас мир.

Что же мы знаем? Пожалуй, самое важное, к чему мы пришли, — это то, что все окружающие нас тела состоят из атомов^.Исключение составляют Солнце и звезды, где вещество находится в состоянии плазмы.. Атомы являются кирпичиками мироздания, они находятся в беспрерывном движении, притягиваются на больших расстояниях, но отталкиваются, когда мы стремимся приблизить их друг к другу. Размер атома и 10~⁸см = lA (если яблоко увеличить до размеров Земли, то атомы яблока сами станут размером с яблоко).

Какая польза оттого, что мы знаем, что мир состоит из атомов? Например, тогда можно понять, почему существуют твердые, жидкие и газообразные тела, с какой скоростью распространяется звук, почему летает самолет, что такое температура и многое, многое другое.

Все состоит из атомов, в том числе и мы с вами. Жизнь — это наиболее сложное явление во Вселенной. Неотделимым от атомов является понятие взаимодействия.Чем атомы скрепляются между собой и твердом теле, почему Земля движется вокруг Солнца по круговой орбите, не улетая от него (или почему яблоко падает на Землю)? Наконец, почему протоны в ядре (положительно заряженные частицы, которые электрически отталкиваются друг от друга) не разлетаются? Что держит их вместе? В настоящее время в природе обнаружено четыре основных вида взаимодействия:

• электромагнитное,

• гравитационное,

• сильноеи

• слабое.

Первое обусловливает взаимодействие между заряженными частицами. Когда вы пальцем пытаетесь продавить стол, вы имеете дело с взаимодействием электромагнитной природы. Есть притяжение и отталкивание.

Гравитационное взаимодействие, основным проявлением которого является закон всемирного тяготения, — всегда притяжение (гравитационное отталкивание пока не обнаружено). Свидетельством этого являются те же яблоки, которые всегда падают на Землю. Притяжение между Землей и Солнцем заставляет Землю двигаться по круговой орбите вокруг Солнца. Сила тяжести — это та сила, которая заставляет загораться звезды. Она сообщает ядрам атомов необходимую для сближения кинетическую энергию (для преодоления силы электрического отталкивания), чтобы началась реакция термоядерного синтеза — основной источник энергии большинства звезд во Вселенной.

Сильное взаимодействие, в отличие от первых двух, является короткодействующим. Радиус его действия порядка 10 ^-12-=-10 ^-13 см, то есть порядка размеров ядра атома. Это взаимодействие между нуклонами, протонами и нейтронами, и оно всегда имеет характер притяжения.

Наконец, последнее взаимодействие — это слабое взаимодействие. Посредством слабого взаимодействия реагирует с веществом такая неуловимая частица, как нейтрино. В полете сквозь космическое пространство, столкнувшись с Землей, она этого не замечает и прошивает ее насквозь.

В последнее время благодаря усилиям теоретиков удалось объединить электромагнитное и слабое взаимодействия в одно, что уменьшает число основных взаимодействий до трех. Сравнительная сила этих взаимодействий такова: если считать, что относительная величина взаимодействия нуклонов (протонов и нейтронов) в ядре равна единице, то следующим по силе будет электромагнитное взаимодействие, 10^-2, затем слабое, 10^-5. И самым слабым в этом смысле является гравитационное взаимодействие, ~ 10^-40.

Природа сильного взаимодействия все еще остается не вполне понятной. Точнее, его теория все еще не достроена.

Одним из важнейших понятий, введенных в современную физику, является понятие поля.Пространство, в котором нет частиц и которое поэтому можно назвать "пустым", на самом деле таковым не является. В "пустом" (от частиц) пространстве могут существовать различные поля, примером которых является электромагнитное поле. Эти поля могут существовать и вполне самостоятельно, независимо от частиц, их породивших. Эта форма существования — теперь хорошо известные волны. Электромагнитные волны вошли в нашу повседневную жизнь.

Гравитационные волны пока еще не обнаружены экспериментально, но их существование уверенно предсказывает общая теория относительности Эйнштейна.

Таким образом, основной движущей силой почти всех происходящих на Земле процессов являются электромагнитные силы и явления, ими вызываемые. Знание этих сил является основой для понимания химических реакций, биологических процессов, а значит и жизни. И все это скрывается в такой крошечной частичке, как атом, который состоит из положительно заряженного ядра и движущихся вокруг него отрицательно заряженных электронов.

В чем же причина стабильности атома? Дело в том, что законы, управляющие движением электрона относительно ядра атома, — это не те законы классической механики, которые управляют движением Земли вокруг Солнца. В атоме действуют законы квантовой механики.

Квантовая механика,или квантовая физика— одно из величайших научных достижений нашего века. Она описывает законы движения частиц в микромире, то есть движения частиц малой массы (электрона или атома) в малых участках пространства. Квантовая механика — это более общая наука, включающая в себя классическую механику как частный случай. Квантовая механика необходима для понимания химических и биологических процессов, а значит для понимания того, как мы устроены. Однако вследствие ее относительной сложности начинать следует с более простых вещей — с классической механики, к изучению которой мы сейчас и приступаем.

Лекция 2

Границы применимости классической механики. Кинематика. Пространственно-временные системы отсчета. Перемещение, скорость и ускорение материальной точки. Равноускоренное движение. Путь

Раньше других разделов физики стала развиваться механика. Механика есть наука о движении и равновесии тел. Вшироком смысле слова движение материи есть всякое ее изменение. Однако в механике под движением понимается только простейшая его форма, а именно перемещение тела относительно других тел. Принципы механики были впервые сформулированы Ньютоном (1643— 1727 гг.) в его основном труде "Математические начала натуральной философии" (1687 г.).

Различают три вида механического движения: поступательное, вращательное и колебательное.

Поступательное движение – это движение, при котором все точки тела движутся по параллельным траекториям.

Вращательное движение – это движение, при котором точки тела движутся по концентрическим окружностям или дугам концентрических окружностей.

Колебательное движение – это движение, при котором тело, выйдя из положения равновесия, периодически возвращается к нему.

После Ньютона механика начала быстро развиваться, однако до начала XX века это развитие шло в основном в направлении совершенствования математических методов механики и применения ее законов ко всё новым и новым областям знания. Несомненные в то время успехи механики привели к представлению, что законов механики достаточно для объяснения всех явлений природы (механистический взгляд на природу вещей).

Положение в корне изменилось с открытием электрических и магнитных явлений, особенно с открытием электромагнитных волн. Окончательный отказ от механистических представлений произошел в начале XX века. Первое, что выяснилось, — это то, что механика Ньютона применима лишь к сравнительно медленным движениям со скоростями, заметно меньшими скорости света в вакууме с к= 300000 км/с. Движения, скорости которых приближаются к скорости света, называют релятивистскими.

Но скорость света огромна. В повседневной жизни мы имеем дело со скоростями, заметно меньшими.

Второе ограничение классической механики заключается в ее неприменимости к описанию явлений микромира, то есть к движениям тел малой массы в малых участках пространства. Более общей наукой, описывающей такие движения, является квантовая механика.

Таким образом, классическая механика Ньютона изучает медленные движения макроскопических тел.

Что такое движение и как его описывать? На этот вопрос отвечает кинематика,описывающая движение тел.

Кинематика– раздел механики, изучающий движение материальных тел в пространстве и времени без рассмотрения причин, вызывающих это движение.

Движение — это перемещение тела относительно других тел (изменение его положения в пространстве).

Таким образом, описывая движение тела, мы всегда привязываемся к какой-то координатной системе, относительно которой тело движется, или к системе отсчета.Движение тела определяется движением всех его точек (маленьких кусочков тела), поэтому мы начнем с описания движения материальной точки.

Материальной точкой называется тело, размерами которого можно пренебречь, считая, что вся масса тела сосредоточена в одной точке.

Прежде всего, выберем систему координат. Самая простая система — это декартова система координат,три взаимно перпендикулярных оси х, у, z.

3аконыприроды, очевидно, должны быть записаны в форме, которая не зависит от выбора системы координат. Мы для определенности будем пользоваться правой системой. Положение точки в выбранной нами системе координат задается радиус-вектором r,проекции которого на оси координат равны соответственно х, у, z. Таким образом, вектор r вполне однозначно определяется заданием трех его проекций, хотя это могут быть и другие три числа.

Если ввести три единичных вектора i, j, k, направленные вдоль координатных осей (единичные орты),то радиус-вектор r можно представить в виде суммы трех векторов:

r=xi+yj+zk.

В итоге мы приходим к известному результату, что квадрат длины вектора равен сумме квадратов его проекций:

r²=x²+y²+z².

Рассмотрим теперь движение материальной точки, траектория которой изображена на рис, 2.1, и определим такие важные для дальнейшего понятия, как скорость материальной точки υ и ускорение а.

Пусть радиус-вектор материальной точки в момент времени t₁ равен r_1: а в момент времени t₂равен r₂. Таким образом, при движении радиус-вектор r изменяется со временем, иными словами, он является функцией времени r = r(t). Если нам известен закон этого изменения, то мы знаем, где в каждый момент времени находится материальная точка, то есть мы знаем закон ее движения. Задание функции r(t) эквивалентно заданию трех функций x(t), y(t) и z(t) — координат материальной точки, поскольку

r(t) = x(t)i + y(t)j + z(t)k. (2.2)

Разность векторов Dr = r₂– r₁ называется перемещениемматериальной точки. Очевидно, что это тоже вектор, и он направлен из точки 1 в точку 2. Ясно, что

r₁ + Dr₁₂ = r₁ + (r₂-r₁) = r₂, (2.3)

Отношение перемещения материальной точки Dr₂к интервалу времени Dt_12, то есть Dr₁₂/Dt₁₂, тоже является вектором, причем коллинеарным вектору перемещения.

Очевидно, что если мы будем уменьшать величину интервала Dt₂ (приближая t₂ к t₁), то соответственно будет уменьшаться и длина вектора Dr₁₂, то есть величина перемещения. Предел отношения перемещения Dr₁₂ к интервалу Dt₂, когда последний стремится к нулю, называют производнойвектора r(t) по времени t:

(2.4)

Этот вектор направлен по касательной к траектории материальной точки в точке t₁. Мгновенной скоростьюматериальной точки называется предел отношения приращения перемещения к приращению времени, или

Это, очевидно, вектор, направленный по касательной к траектории в точке, соответствующей моменту времени t, с компонентами:

(2.5)

Вектор скорости частицы υ(t) так же, как и радиус-вектор, является функцией времени t. Аналогичным образом можно определить вектор, характеризующий скорость изменения скорости частицы и называемый ускорением:

(2.6)

Если величина и направление этого вектора не изменяются со временем, то есть, если а = const то такое движение называется равноускоренным(равнопеременным).

Для равноускоренного движения скорость материальной точки υ(t) и ее радиус-вектор r(t) изменяются со временем по закону

υ(t)=υ₀+at

r(t)=r₀+υ₀(t)+ at², (2.7)

где υ(0)и r(0)— соответственно скорость и радиус-вектор материальной точки в начальный момент времени t₀ (проверка дифференцированием). Траекторией точки при равноускоренном движении является, как известно, парабола. Частным случаем равноускоренного движения является движение с ускорением, равным нулю. Такое движение называется равномерным.Очевидно, что оно происходит по прямой.

Рассмотрим теперь вопрос, как найти путь,проходимый материальной точкой при ее движении. Рассмотрим произвольного вида траекторию, по которой движется материальная точка. Пусть в момент времени t₁ материальная точка занимала положение на траектории, характеризуемое радиус-вектором r_1, а в момент времени t₂ — радиус-вектором r₂, рис. 2.1. Спрашивается, какой путь прошла материальная точка между этими двумя положениями. Перемещение материальной точки определяется вектором Dr, но длина этого вектора, очевидно, не определяет пройденный материальной точкой путь, за исключением того случая, когда траектория материальной точки между двумя положениями представляет собой прямую линию. Это подсказывает способ нахождения пути при криволинейном движении. Для этого разобьем временной интервал t₂–t₁ на много одинаковых интервалов очень малой продолжительности Dt, так что в каждом таком малом интервале движение практически прямолинейное. Число таких интервалов равно

п = .

Изобразим векторы перемещения материальной точки в каждом из этих интервалов времени. Очевидно, что при достаточно малом Dt, пройденный путь S может быть аппроксимирован суммой длин этих векторов:

(2.8)

По мере стремления Dt к нулю это приближение становится все лучше и лучше и в конце концов при бесконечном п обращается в точное равенство.

Разделим и помножим каждое слагаемое в этой сумме на Dt:

. (2.9)

Очевидно, можно поменять местами операции суммирования и предельного перехода (предел суммы ранен сумме пределов) и вспомнить, что предел равен скорости частицы υ в i- том интервале. Тогда путь может быть представлен в виде суммы бесконечного числа бесконечно малых слагаемых: