2. Mikro, Makro, Mega verdener.
Mikroverdenen er molekyler, atomer, elementarpartikler - verden af ekstremt små, ikke direkte observerbare mikroobjekter, hvis rumlige mangfoldighed er beregnet fra 10 -8 til 10 -16 cm, og levetiden er fra uendelig til 10 -24 s.
Makroverdenen er en verden af stabile former og mængder svarende til mennesker, såvel som krystallinske komplekser af molekyler, organismer, samfund af organismer; makroobjekternes verden, hvis dimension er sammenlignelig med omfanget af menneskelig erfaring: rumlige mængder udtrykkes i millimeter, centimeter og kilometer, og tid - i sekunder, minutter, timer, år.
Megaverdenen er planeter, stjernekomplekser, galakser, metagalakser – en verden af enorme kosmiske skalaer og hastigheder, hvor afstanden måles i lysår, og rumobjekters levetid måles i millioner og milliarder af år.
Og selvom disse niveauer har deres egne specifikke love, er mikro-, makro- og megaverdenen tæt forbundet.
På det mikroskopiske niveau studerer fysik i dag processer, der finder sted i længder af størrelsesordenen 10 til minus attende potens af cm, over en tid af størrelsesordenen 10 til minus 22. potens af s. I megaverdenen bruger videnskabsmænd instrumenter til at registrere objekter fjernt fra os i en afstand på omkring 9-12 milliarder lysår.
Mikroverden. Demokrit fremsatte i antikken den atomistiske hypotese om stoffets struktur senere i det 18. århundrede. blev genoplivet af kemikeren J. Dalton, der tog brints atomvægt som én og sammenlignede atomvægten af andre gasser med den. Takket være J. Daltons værker begyndte atomets fysiske og kemiske egenskaber at blive undersøgt. I det 19. århundrede D.I. Mendeleev byggede et system af kemiske grundstoffer baseret på deres atomvægt.
I fysik kom begrebet atomer som de sidste udelelige strukturelle elementer i stof fra kemien. Faktisk begynder fysiske studier af atomet i slutningen af det 19. århundrede, da den franske fysiker A. A. Becquerel opdagede fænomenet radioaktivitet, som bestod i den spontane omdannelse af atomer af nogle grundstoffer til atomer af andre grundstoffer.
Historien om forskning i atomets struktur begyndte i 1895 takket være J. Thomsons opdagelse af elektronen, en negativt ladet partikel, der er en del af alle atomer. Da elektroner har en negativ ladning, og atomet som helhed er elektrisk neutralt, antog man, at der udover elektronen er en positivt ladet partikel. Elektronens masse blev beregnet til at være 1/1836 af massen af en positivt ladet partikel.
Der var flere modeller af atomets struktur.
I 1902 foreslog den engelske fysiker W. Thomson (Lord Kelvin) den første model af atomet - en positiv ladning er fordelt over et ret stort område, og elektroner er spækket med det, som "rosiner i budding."
I 1911 foreslog E. Rutherford en model af atomet, der lignede solsystemet: i midten er der en atomkerne, og elektroner bevæger sig rundt om den i deres baner.
Kernen har en positiv ladning, og elektronerne har en negativ ladning. I stedet for at gravitationskræfterne virker i solsystemet, virker elektriske kræfter i atomet. Den elektriske ladning af kernen i et atom, numerisk lig med serienummeret i Mendeleevs periodiske system, balanceres med summen af elektronernes ladninger - atomet er elektrisk neutralt.
Begge disse modeller viste sig at være modstridende.
I 1913 anvendte den store danske fysiker N. Bohr kvantiseringsprincippet til at løse problemet med atomets struktur og atomspektrenes karakteristika.
N. Bohrs model af atomet var baseret på den planetariske model af E. Rutherford og på kvanteteorien om atomstruktur udviklet af ham. N. Bohr fremsatte en hypotese om atomets struktur, baseret på to postulater, der er fuldstændig uforenelige med klassisk fysik:
1) i hvert atom er der flere stationære tilstande (i planetmodellens sprog, flere stationære baner) af elektroner, der bevæger sig langs hvilke en elektron kan eksistere uden at udsende;
2) når en elektron går fra en stationær tilstand til en anden, udsender eller absorberer atomet en del af energien.
I sidste ende er det fundamentalt umuligt nøjagtigt at beskrive strukturen af et atom baseret på ideen om banerne for punktelektroner, da sådanne baner faktisk ikke eksisterer.
N. Bohrs teori repræsenterer så at sige grænsen til det første trin i udviklingen af moderne fysik. Dette er det seneste forsøg på at beskrive atomets struktur baseret på klassisk fysik, suppleret med kun et lille antal nye antagelser.
Det så ud til, at N. Bohrs postulater afspejlede nogle nye, ukendte egenskaber ved stoffet, men kun delvist. Svar på disse spørgsmål blev opnået som et resultat af udviklingen af kvantemekanik. Det viste sig, at N. Bohrs atommodel ikke skulle tages bogstaveligt, som det var i begyndelsen. Processer i atomet kan i princippet ikke repræsenteres visuelt i form af mekaniske modeller i analogi med begivenheder i makrokosmos. Selv begreberne rum og tid i den form, der eksisterede i makroverdenen, viste sig at være uegnede til at beskrive mikrofysiske fænomener. De teoretiske fysikeres atom blev i stigende grad en abstrakt, uobserverbar sum af ligninger.
Makroverden. I historien om studiet af naturen kan der skelnes mellem to stadier: præ-videnskabelige og videnskabelige.
Forvidenskabelig, eller naturfilosofisk, dækker perioden fra antikken til dannelsen af eksperimentel naturvidenskab i det 16.-17. århundrede. Observerede naturfænomener blev forklaret ud fra spekulative filosofiske principper.
Det mest betydningsfulde for den efterfølgende udvikling af naturvidenskab var begrebet om den diskrete struktur af materien, atomisme, ifølge hvilken alle legemer består af atomer - de mindste partikler i verden.
Den videnskabelige fase af at studere naturen begynder med dannelsen af klassisk mekanik.
Da moderne videnskabelige ideer om de strukturelle niveauer af organiseringen af materien blev udviklet i løbet af en kritisk gentænkning af den klassiske videnskabs ideer, der kun gælder for objekter på makroniveau, er vi nødt til at starte med begreberne i klassisk fysik.
Dannelsen af videnskabelige syn på materiens struktur går tilbage til det 16. århundrede, hvor G. Galileo lagde grunden til det første fysiske billede af verden i videnskabshistorien – et mekanisk. Han underbyggede ikke blot N. Copernicus' heliocentriske system og opdagede inertiloven, men udviklede en metodik til en ny måde at beskrive naturen på - videnskabelig og teoretisk. Dens essens var, at kun visse fysiske og geometriske karakteristika blev identificeret og blev genstand for videnskabelig forskning. Galileo skrev: "Jeg vil aldrig af ydre kroppe kræve andet end størrelse, figur, mængde og mere eller mindre hurtig bevægelse for at forklare forekomsten af smag, lugt og lyd."
I. Newton, der stolede på Galileos værker, udviklede en streng videnskabelig teori om mekanik, som beskriver både himmellegemers bevægelse og jordiske objekters bevægelse ved de samme love. Naturen blev set som kompleks mekanisk system.
Inden for rammerne af det mekaniske billede af verden udviklet af I. Newton og hans tilhængere, opstod en diskret (korpuskulær) model af virkeligheden. Stof blev betragtet som et materielt stof bestående af individuelle partikler - atomer eller blodlegemer. Atomer er absolut stærke, udelelige, uigennemtrængelige, karakteriseret ved tilstedeværelsen af masse og vægt.
Et væsentligt kendetegn ved den newtonske verden var det tredimensionelle rum i den euklidiske geometri, som er absolut konstant og altid i ro. Tid blev præsenteret som en størrelse uafhængig af enten rum eller stof.
Bevægelse blev betragtet som bevægelse i rummet langs kontinuerlige baner i overensstemmelse med mekanikkens love.
Resultatet af Newtons billede af verden var billedet af universet som en gigantisk og fuldstændig bestemt mekanisme, hvor begivenheder og processer er en kæde af indbyrdes afhængige årsager og virkninger.
Den mekanistiske tilgang til at beskrive naturen har vist sig at være yderst frugtbar. Efter den newtonske mekanik blev hydrodynamik, elasticitetsteorien, den mekaniske varmeteori, molekylær kinetisk teori og en række andre skabt, på linje med hvilken fysikken har opnået enorm succes. Der var dog to områder – optiske og elektromagnetiske fænomener, som ikke kunne forklares fuldt ud inden for rammerne af et mekanistisk verdensbillede.
Sammen med den mekaniske korpuskulære teori blev der forsøgt at forklare optiske fænomener på en fundamentalt anderledes måde, nemlig ud fra bølgeteorien formuleret af X. Huygens. Bølgeteorien etablerede en analogi mellem udbredelsen af lys og bevægelsen af bølger på overfladen af vand eller lydbølger i luften. Det antog tilstedeværelsen af et elastisk medium, der fyldte hele rummet - en lysende æter. Baseret på X-bølgeteorien forklarede Huygens med succes lysets refleksion og brydning.
Et andet område af fysik, hvor mekaniske modeller viste sig utilstrækkelige, var området for elektromagnetiske fænomener. Den engelske naturforsker M. Faradays eksperimenter og den engelske fysiker J. C. Maxwells teoretiske værker ødelagde endelig den newtonske fysiks ideer om diskret stof som den eneste stoftype og lagde grundlaget for det elektromagnetiske billede af verden.
Fænomenet elektromagnetisme blev opdaget af den danske naturforsker H. K. Ørsted, som først bemærkede den magnetiske virkning af elektriske strømme. Ved at fortsætte forskning i denne retning opdagede M. Faraday, at en midlertidig ændring i magnetiske felter skaber en elektrisk strøm.
M. Faraday kom til den konklusion, at studiet af elektricitet og optik er forbundet og danner et enkelt felt. Hans værker blev udgangspunktet for J. C. Maxwells forskning, hvis fortjeneste ligger i den matematiske udvikling af M. Faradays ideer om magnetisme og elektricitet. Maxwell "oversatte" modellen elledninger Faraday ind i en matematisk formel. Begrebet "kraftfelt" blev oprindeligt udviklet som et matematisk hjælpebegreb. J.C. Maxwell gav det en fysisk betydning og begyndte at betragte feltet som en uafhængig fysisk virkelighed: "Et elektromagnetisk felt er den del af rummet, der indeholder og omgiver legemer, der er i en elektrisk eller magnetisk tilstand."
Ud fra sin forskning var Maxwell i stand til at konkludere, at lysbølger er elektromagnetiske bølger. Den enkelte essens af lys og elektricitet, som M. Faraday foreslog i 1845, og J. C. Maxwell teoretisk underbyggede i 1862, blev eksperimentelt bekræftet af den tyske fysiker G. Hertz i 1888.
Efter G. Hertz's eksperimenter blev begrebet et felt endelig etableret i fysikken, ikke som en matematisk hjælpekonstruktion, men som en objektivt eksisterende fysisk virkelighed. En kvalitativt ny, unik type stof blev opdaget.
Altså i slutningen af det 19. århundrede. fysikken er kommet til den konklusion, at stof eksisterer i to former: diskret stof og kontinuert felt.
Som et resultat af efterfølgende revolutionære opdagelser i fysikken i slutningen af sidste og begyndelsen af dette århundrede, blev den klassiske fysiks ideer om stof og felt som to kvalitativt unikke stoftyper ødelagt.
Megaverden. Moderne videnskab betragter megaverdenen eller rummet som et interagerende og udviklende system af alle himmellegemer.
Alle eksisterende galakser er inkluderet i systemet af højeste orden - Metagalaksen. Dimensionerne af Metagalaxy er meget store: radius af den kosmologiske horisont er 15-20 milliarder lysår.
Begreberne "Univers" og "Metagalaxy" er meget tætte begreber: de karakteriserer det samme objekt, men i forskellige aspekter. Begrebet "univers" betyder hele den eksisterende materielle verden; begrebet "Metagalaxy" er den samme verden, men fra dets struktur - som et ordnet system af galakser.
Universets struktur og udvikling studeres af kosmologi. Kosmologi som en gren af naturvidenskaben er placeret i et unikt skæringspunkt mellem videnskab, religion og filosofi. Kosmologiske modeller af universet er baseret på bestemte ideologiske præmisser, og disse modeller har i sig selv stor ideologisk betydning.
I klassisk videnskab var der den såkaldte steady state-teori om universet, ifølge hvilken universet altid har været næsten det samme, som det er nu. Astronomi var statisk: bevægelserne af planeter og kometer blev undersøgt, stjerner blev beskrevet, deres klassifikationer blev oprettet, hvilket naturligvis var meget vigtigt. Men spørgsmålet om universets udvikling blev ikke rejst.
Moderne kosmologiske modeller af universet er baseret på A. Einsteins generelle relativitetsteori, ifølge hvilken metrikken for rum og tid bestemmes af fordelingen af gravitationsmasserne i universet. Dets egenskaber som helhed bestemmes af den gennemsnitlige tæthed af stof og andre specifikke fysiske faktorer.
Einsteins gravitationsligning har ikke én, men mange løsninger, hvilket forklarer eksistensen af mange kosmologiske modeller af universet. Den første model blev udviklet af A. Einstein selv i 1917. Han afviste den newtonske kosmologis postulater om rummets og tidens absoluthed og uendelighed. I overensstemmelse med A. Einsteins kosmologiske model af universet er verdensrummet homogent og isotropt, stof er i gennemsnit fordelt jævnt i det, og massernes gravitationstiltrækning kompenseres af den universelle kosmologiske frastødning.
Universets eksistens er uendelig, dvs. har ingen begyndelse eller slutning, og rummet er ubegrænset, men begrænset.
Universet i A. Einsteins kosmologiske model er stationært, uendeligt i tid og grænseløst i rummet.
I 1922 Den russiske matematiker og geofysiker A.A Friedman afviste den klassiske kosmologis postulat om universets stationære natur og opnåede en løsning på Einstein-ligningen, som beskriver universet med "udvidelse" af rummet.
Da den gennemsnitlige tæthed af stof i universet er ukendt, ved vi i dag ikke, i hvilket af disse rum i universet vi lever.
I 1927 forbandt den belgiske abbed og videnskabsmand J. Lemaitre "udvidelsen" af rummet med data fra astronomiske observationer. Lemaitre introducerede konceptet om universets begyndelse som en singularitet (dvs. en supertæt tilstand) og universets fødsel som Big Bang.
I 1929 blev den amerikanske astronom E.P. Hubble opdagede eksistensen af et mærkeligt forhold mellem galaksernes afstand og hastighed: alle galakser bevæger sig væk fra os, og med en hastighed, der stiger i forhold til afstanden - udvider galaksesystemet sig.
Universets udvidelse betragtes som et videnskabeligt etableret faktum. Ifølge J. Lemaîtres teoretiske beregninger var universets radius i sin oprindelige tilstand 10 -12 cm, hvilket er tæt på radius af en elektron, og dets tæthed var 10 96 g/cm 3 . I en enkelt tilstand var universet et mikroobjekt af ubetydelig størrelse. Fra den oprindelige enestående tilstand bevægede universet sig til ekspansion som følge af Big Bang.
Retrospektive beregninger bestemmer universets alder ved 13-20 milliarder år. G.A. Gamow foreslog, at stoffets temperatur var høj og faldt med universets udvidelse. Hans beregninger viste, at universet i sin udvikling gennemgår visse stadier, hvor dannelsen af kemiske elementer og strukturer. I moderne kosmologi er den indledende fase af universets udvikling for klarhedens skyld opdelt i "epoker"
Hadronernes æra. Tunge partikler, der indgår i stærke vekselvirkninger.
Leptonernes æra. Lyspartikler, der indgår i elektromagnetisk interaktion.
Foton æra. Varighed 1 million år. Hovedparten af massen - universets energi - kommer fra fotoner.
Stjerne æra. Opstår 1 million år efter universets fødsel. Under stjernernes æra begynder processen med dannelse af protostjerner og protogalakser.
Derefter udspiller sig et grandiost billede af dannelsen af strukturen af Metagalaksen.
I moderne kosmologi, sammen med Big Bang-hypotesen, er den inflationære model af universet, som betragter skabelsen af universet, meget populær. Ideen om skabelse har en meget kompleks begrundelse og er forbundet med kvantekosmologi. Denne model beskriver universets udvikling startende fra øjeblikket 10 -45 s efter starten af udvidelsen.
Tilhængere af den inflationære model ser en overensstemmelse mellem stadierne af kosmisk udvikling og stadier af skabelsen af verden beskrevet i Første Mosebog i Bibelen.
I overensstemmelse med inflationshypotesen går den kosmiske udvikling i det tidlige univers gennem en række stadier.
Begyndelsen af universet er defineret af teoretiske fysikere som en tilstand af kvantesupergravitation med en radius af universet på 10 -50 cm
Inflationsstadiet. Som et resultat af et kvantespring gik universet over i en tilstand af ophidset vakuum og udvidede sig, i mangel af stof og stråling i det, intensivt ifølge en eksponentiel lov. I denne periode blev selve universets rum og tid skabt. Under inflationsfasen varer 10 -34. Universet pustes op fra en ufattelig lille kvantestørrelse på 10 -33 til ufattelig stor 10 1000000 cm, hvilket er mange størrelsesordener større end størrelsen af det observerbare univers - 10 28 cm. I hele denne indledende periode var der ingen sag eller stråling i universet.
Overgang fra inflationsstadiet til fotonstadiet. Tilstanden af falsk vakuum gik i opløsning, den frigivne energi gik til fødslen af tunge partikler og antipartikler, som, efter at have tilintetgjort, gav et kraftigt glimt af stråling (lys), der oplyste rummet.
Stadiet for adskillelse af stof fra stråling: det stof, der var tilbage efter tilintetgørelsen, blev gennemsigtigt for stråling, kontakten mellem stof og stråling forsvandt. Strålingen adskilt fra stof udgør den moderne reliktbaggrund, teoretisk forudsagt af G. A. Gamov og eksperimentelt opdaget i 1965.
Efterfølgende gik universets udvikling i retning fra den enkleste homogene tilstand til skabelsen af stadig mere komplekse strukturer - atomer (oprindeligt brintatomer), galakser, stjerner, planeter, syntesen af tunge grundstoffer i stjernernes tarme, herunder de nødvendig for skabelsen af liv, livets fremkomst og som skabelsens krone - mennesket.
Forskellen mellem stadierne af universets udvikling i inflationsmodellen og Big Bang-modellen vedrører kun den indledende fase af størrelsesordenen 10 -30 s, så er der ingen grundlæggende forskelle mellem disse modeller i forståelsen af stadierne af kosmisk udvikling .
I mellemtiden kan disse modeller beregnes på en computer ved hjælp af viden og fantasi, men spørgsmålet forbliver åbent.
Den største vanskelighed for videnskabsmænd opstår ved at forklare årsagerne til kosmisk evolution. Hvis vi lægger detaljerne til side, kan vi skelne mellem to hovedbegreber, der forklarer universets udvikling: begrebet selvorganisering og begrebet kreationisme.
For begrebet selvorganisering er det materielle univers den eneste virkelighed, og der eksisterer ingen anden virkelighed udover det. Universets udvikling er beskrevet i form af selvorganisering: der sker en spontan ordning af systemer i retning af dannelsen af stadig mere komplekse strukturer. Dynamisk kaos skaber orden.
Inden for rammerne af kreationismebegrebet, dvs. skabelsen er universets udvikling forbundet med implementeringen af et program bestemt af en virkelighed af en højere orden end den materielle verden. Tilhængere af kreationisme henleder opmærksomheden på eksistensen i universet af et rettet nomogen - udvikling fra simple systemer til stadig mere komplekse og informationsintensive, hvor betingelserne for livets og menneskers fremkomst blev skabt. Som et yderligere argument bruges det antropiske princip, formuleret af de engelske astrofysikere B. Carr og Riess.
Blandt moderne teoretiske fysikere er der tilhængere af både begrebet selvorganisering og begrebet kreationisme. Sidstnævnte erkender, at udviklingen af grundlæggende teoretisk fysik gør det til et presserende behov at udvikle et samlet videnskabeligt og teknisk billede af verden, der syntetiserer alle resultater inden for viden og tro.
Universet på forskellige niveauer, fra konventionelt elementære partikler til gigantiske superhobe af galakser, er karakteriseret ved struktur. Universets moderne struktur er resultatet af kosmisk evolution, hvor galakser blev dannet af protogalakser, stjerner fra protostjerner og planeter fra protoplanetariske skyer.
En metagalakse er en samling af stjernesystemer - galakser, og dens struktur bestemmes af deres fordeling i rummet fyldt med ekstremt sjælden intergalaktisk gas og gennemtrængt af intergalaktiske stråler.
Ifølge moderne koncepter er en metagalaxy karakteriseret ved en cellulær (mesh, porøs) struktur. Der er enorme rumfang (i størrelsesordenen en million kubikmegaparsecs), hvor galakser endnu ikke er blevet opdaget.
Metagalaksens alder er tæt på universets alder, da dannelsen af strukturen sker i perioden efter adskillelsen af stof og stråling. Ifølge moderne data er Metagalaksens alder anslået til 15 milliarder år.
En galakse er et gigantisk system bestående af klynger af stjerner og stjernetåger, der danner en ret kompleks konfiguration i rummet.
Baseret på deres form er galakser konventionelt opdelt i tre typer: elliptiske, spiralformede og uregelmæssige.
Elliptiske galakser - har den rumlige form af en ellipsoide med varierende grader af kompression; de er de enkleste i struktur: fordelingen af stjerner aftager ensartet fra midten.
Spiralgalakser - præsenteret i en spiralform, inklusive spiralarme. Dette er den mest talrige type galakse, som omfatter vores galakse - Mælkevejen.
Uregelmæssige galakser har ikke en tydelig form; de mangler en central kerne.
Nogle galakser er karakteriseret ved en usædvanlig kraftig radioemission, der overstiger synlig stråling. Det er radiogalakser.
De ældste stjerner, hvis alder nærmer sig galaksens alder, er koncentreret i galaksens kerne. Midaldrende og unge stjerner er placeret i den galaktiske skive.
Stjerner og stjernetåger i galaksen bevæger sig på en ret kompleks måde, sammen med galaksen deltager de i universets udvidelse, derudover deltager de i galaksens rotation omkring dens akse.
Stjerner. På det nuværende stadie af universets udvikling er stoffet i det overvejende i en stjernetilstand. 97 % af stoffet i vores galakse er koncentreret i stjerner, som er gigantiske plasmaformationer af forskellige størrelser, temperaturer, forskellige egenskaber bevægelser. Mange, hvis ikke de fleste, andre galakser har "stjernestof", der udgør mere end 99,9% af deres masse.
Stjernernes alder varierer over en ret bred vifte af værdier: fra 15 milliarder år, svarende til universets alder, til hundredtusindvis - de yngste. Der er stjerner, der i øjeblikket er ved at blive dannet og er i protostellarstadiet, dvs. de er ikke blevet rigtige stjerner endnu.
Stjerners fødsel sker i gas-støvtåger under påvirkning af tyngdekraften, magnetiske og andre kræfter, på grund af hvilke ustabile homogeniteter dannes, og diffust stof bryder op i en række kondensationer. Hvis sådanne kondensationer varer ved længe nok, bliver de over tid til stjerner. Den vigtigste udvikling af stof i universet fandt sted og foregår i stjernernes dyb. Det er der, at "smeltedigelen" er placeret, som bestemte den kemiske udvikling af stof i universet.
På det sidste trin af evolutionen bliver stjerner til inerte ("døde") stjerner.
Stjerner eksisterer ikke isoleret, men danner systemer. De simpleste stjernesystemer - de såkaldte multiple systemer - består af to, tre, fire, fem eller flere stjerner, der kredser om et fælles tyngdepunkt.
Stjerner er også forenet i endnu større grupper - stjernehobe, som kan have en "spredt" eller "sfærisk" struktur. Åbne stjernehobe tæller flere hundrede individuelle stjerner, kuglehobe tæller mange hundrede tusinde.
Associationer, eller klynger af stjerner, er heller ikke uforanderlige og evigt eksisterende. Efter et vist tidsrum, anslået i millioner af år, bliver de spredt af kræfterne fra galaktisk rotation.
Solsystemet er en gruppe af himmellegemer, meget forskellige i størrelse og fysisk struktur. Denne gruppe omfatter: Solen, ni store planeter, snesevis af planetariske satellitter, tusindvis af små planeter (asteroider), hundredvis af kometer og utallige meteoritlegemer, der bevæger sig både i sværme og i form af individuelle partikler. I 1979 var 34 satellitter og 2000 asteroider kendt. Alle disse kroppe er forenet i et system på grund af tyngdekraften i det centrale legeme - Solen. Solsystemet er et ordnet system, der har sine egne strukturelle love. Enkelt tegn solsystem viser sig i, at alle planeterne drejer rundt om Solen i samme retning og næsten i samme plan. De fleste af planeternes satellitter (deres måner) roterer i samme retning og i de fleste tilfælde i deres planets ækvatorialplan. Solen, planeterne, planeternes satellitter roterer rundt om deres akser i samme retning, som de bevæger sig langs deres baner. Solsystemets struktur er også naturlig: hver næste planet er cirka dobbelt så langt fra Solen som den forrige.
Solsystemet blev dannet for cirka 5 milliarder år siden, og Solen er en stjerne af anden (eller endda senere) generation. Således er solsystemet opstået fra stjerners affaldsprodukter tidligere generationer, akkumuleret i gas- og støvskyer. Denne omstændighed giver anledning til at kalde solsystemet for en lille del af stjernestøv. Videnskaben ved mindre om solsystemets oprindelse og dets historiske udvikling, end det er nødvendigt for at opbygge en teori om planetdannelse.
De første teorier om solsystemets oprindelse blev fremsat af den tyske filosof I. Kant og den franske matematiker P. S. Laplace. Ifølge denne hypotese blev planetsystemet omkring Solen dannet som et resultat af tiltræknings- og frastødningskræfterne mellem partikler af spredt stof (tåge) placeret i rotationsbevægelse omkring Solen.
Begyndelsen på det næste trin i udviklingen af synspunkter om dannelsen af solsystemet var hypotesen fra den engelske fysiker og astrofysiker J. H. Jeans. Han foreslog, at Solen engang kolliderede med en anden stjerne, som et resultat af hvilken en strøm af gas blev revet ud af den, som kondenserede og forvandlede sig til planeter.
Moderne koncepter om oprindelsen af solsystemets planeter er baseret på det faktum, at det er nødvendigt at tage hensyn til ikke kun mekaniske kræfter, men også andre, især elektromagnetiske. Denne idé blev fremsat af den svenske fysiker og astrofysiker H. Alfvén og den engelske astrofysiker F. Hoyle. I overensstemmelse med moderne ideer, den oprindelige gassky, hvorfra både Solen og planeterne blev dannet, bestod af ioniseret gas, der var udsat for påvirkning af elektromagnetiske kræfter. Efter at Solen blev dannet af en enorm gassky gennem koncentration, forblev små dele af denne sky i meget stor afstand fra den. Tyngdekraften begyndte at tiltrække den resterende gas mod den resulterende stjerne - Solen, men dens magnetfelt stoppede den faldende gas på forskellige afstande - præcis hvor planeterne er placeret. Gravitations- og magnetiske kræfter påvirkede koncentrationen og kondenseringen af den faldende gas, og som et resultat blev planeter dannet. Da de største planeter opstod, blev den samme proces gentaget i mindre skala, hvorved der blev skabt satellitsystemer.
Teorier om solsystemets oprindelse er af hypotetisk natur, og det er umuligt entydigt at løse spørgsmålet om deres pålidelighed på det nuværende stadium af den videnskabelige udvikling. Alle eksisterende teorier har modsætninger og uklare områder.
I øjeblikket udvikles der inden for grundlæggende teoretisk fysik begreber, hvorefter den objektivt eksisterende verden ikke er begrænset til den materielle verden, som opfattes af vores sanser eller fysiske instrumenter. Forfatterne af disse begreber kom til følgende konklusion: Sammen med den materielle verden er der en virkelighed af en højere orden, som har en fundamentalt anderledes karakter sammenlignet med den materielle verdens virkelighed.
Folk har længe forsøgt at finde en forklaring på verdens mangfoldighed og særhed.
Studiet af materien og dets strukturelle niveauer er en nødvendig betingelse for dannelsen af et verdensbillede, uanset om det i sidste ende viser sig at være materialistisk eller idealistisk.
Det er helt indlysende, at rollen med at definere begrebet stof, at forstå sidstnævnte som uudtømmelig til at konstruere et videnskabeligt billede af verden, løse problemet med virkeligheden og kendeligheden af objekter og fænomener i mikro-, makro- og megaverdenerne er meget vigtig. .
Bibliografi:
1. Store sovjetiske encyklopædi
2. Karpenkov S.Kh. Begreber af moderne naturvidenskab. M.: 1997
3. Filosofi
http://websites.pfu.edu.ru/IDO/ffec/philos-index.html
4. Vladimirov Yu. S. Grundlæggende fysik og religion. - M.: Archimedes, 1993;
5. Vladimirov Yu. S., Karnaukhov A. V., Kulakov Yu.I. Introduktion til teorien om fysiske strukturer og binær geometrofysik. - M.: Archimedes, 1993.
6. Tutorial"Begreber om moderne naturvidenskab"
Kuznetsov B.T. Fra Galileo til Einstein - M.: Nauka, 1966. - S.38.
Se: Kudryavtsev P.S. Kursus i fysikkens historie. - M.: Uddannelse, 1974. - S. 179.
Se: Dubnischeva T.Ya. Dekret. Op. – S. 802 – 803.
Se: Grib A.A. Big Bang: skabelse eller oprindelse? /I bogen. Forholdet mellem de fysiske og reliptotiske billeder af verden. - Kostroma: Forlaget MIITSAOST, 1996. - S. 153-166.
Mikrokosmos er molekyler, atomer, elementarpartikler- verden af ekstremt små, ikke direkte observerbare mikroobjekter, hvis rumlige mangfoldighed er beregnet fra 10-8 til 10-16 cm, og levetiden er fra uendelig til 10-24 s.
Makrokosmos er en verden af stabile former og mængder svarende til mennesker, såvel som krystallinske komplekser af molekyler, organismer, samfund af organismer; makroobjekternes verden, hvis dimension er sammenlignelig med omfanget af menneskelig erfaring: rumlige mængder udtrykkes i millimeter, centimeter og kilometer, og tid - i sekunder, minutter, timer, år.
Megaworld er planeter, stjernekomplekser, galakser, metagalakser- en verden af enorme kosmiske skalaer og hastigheder, hvor afstanden måles i lysår, og rumobjekters levetid måles i millioner og milliarder af år.
Og selvom disse niveauer har deres egne specifikke love, er mikro-, makro- og megaverdenen tæt forbundet.
På det mikroskopiske niveau studerer fysik i dag processer, der finder sted i længder af størrelsesordenen 10 til minus attende potens af cm, over en tid af størrelsesordenen 10 til minus 22. potens af s. I megaverdenen bruger videnskabsmænd instrumenter til at registrere objekter fjernt fra os i en afstand på omkring 9-12 milliarder lysår.
Mikroverden. Demokrit fremsatte i antikken den atomistiske hypotese om stoffets struktur senere i det 18. århundrede. blev genoplivet af kemikeren J. Dalton, der tog brints atomvægt som én og sammenlignede atomvægten af andre gasser med den. Takket være J. Daltons værker begyndte atomets fysiske og kemiske egenskaber at blive undersøgt. I det 19. århundrede D.I. Mendeleev byggede et system af kemiske grundstoffer baseret på deres atomvægt.
I fysik kom begrebet atomer som de sidste udelelige strukturelle elementer i stof fra kemien. Faktisk begynder fysiske studier af atomet i slutningen af det 19. århundrede, da den franske fysiker A. A. Becquerel opdagede fænomenet radioaktivitet, som bestod i den spontane omdannelse af atomer af nogle grundstoffer til atomer af andre grundstoffer.
Historien om forskning i atomets struktur begyndte i 1895 takket være J. Thomsons opdagelse af elektronen, en negativt ladet partikel, der er en del af alle atomer. Da elektroner har en negativ ladning, og atomet som helhed er elektrisk neutralt, antog man, at der udover elektronen er en positivt ladet partikel. Elektronens masse blev beregnet til at være 1/1836 af massen af en positivt ladet partikel.
Der var flere modeller af atomets struktur.
I 1902 foreslog den engelske fysiker W. Thomson (Lord Kelvin) den første model af atomet - en positiv ladning er fordelt over et ret stort område, og elektroner er spækket med det, som "rosiner i budding."
I 1911 foreslog E. Rutherford en model af atomet, der lignede solsystemet: i midten er der en atomkerne, og elektroner bevæger sig rundt om den i deres baner.
Kernen har en positiv ladning, og elektronerne har en negativ ladning. I stedet for at gravitationskræfterne virker i solsystemet, virker elektriske kræfter i atomet. Den elektriske ladning af kernen i et atom, numerisk lig med serienummeret i Mendeleevs periodiske system, balanceres med summen af elektronernes ladninger - atomet er elektrisk neutralt.
Begge disse modeller viste sig at være modstridende.
I 1913 anvendte den store danske fysiker N. Bohr kvantiseringsprincippet til at løse problemet med atomets struktur og atomspektrenes karakteristika.
N. Bohrs model af atomet var baseret på den planetariske model af E. Rutherford og på kvanteteorien om atomstruktur udviklet af ham. N. Bohr fremsatte en hypotese om atomets struktur, baseret på to postulater, der er fuldstændig uforenelige med klassisk fysik:
1) i hvert atom er der flere stationære tilstande (i planetmodellens sprog, flere stationære baner) af elektroner, der bevæger sig langs hvilke en elektron kan eksistere uden at udsende;
2) når en elektron går fra en stationær tilstand til en anden, udsender eller absorberer atomet en del af energien.
I sidste ende er det fundamentalt umuligt nøjagtigt at beskrive strukturen af et atom baseret på ideen om banerne for punktelektroner, da sådanne baner faktisk ikke eksisterer.
N. Bohrs teori repræsenterer så at sige grænsen til det første trin i udviklingen af moderne fysik. Dette er det seneste forsøg på at beskrive atomets struktur baseret på klassisk fysik, suppleret med kun et lille antal nye antagelser.
Det så ud til, at N. Bohrs postulater afspejlede nogle nye, ukendte egenskaber ved stoffet, men kun delvist. Svar på disse spørgsmål blev opnået som et resultat af udviklingen af kvantemekanik. Det viste sig, at N. Bohrs atommodel ikke skulle tages bogstaveligt, som det var i begyndelsen. Processer i atomet kan i princippet ikke repræsenteres visuelt i form af mekaniske modeller i analogi med begivenheder i makrokosmos. Selv begreberne rum og tid i den form, der eksisterede i makroverdenen, viste sig at være uegnede til at beskrive mikrofysiske fænomener. De teoretiske fysikeres atom blev i stigende grad en abstrakt, uobserverbar sum af ligninger.
Strukturelle niveauer af organisering af stof.
Kriterierne for at identificere forskellige strukturelle niveauer af organiseringen af stof er følgende funktioner:
Ø Spatiotemporale skalaer;
Ø Et sæt væsentlige egenskaber;
Ø Specifikke bevægelseslove;
Ø Graden af relativ kompleksitet, der opstår i processen med historisk udvikling af stof i et givet område af verden;
Strukturelle niveauer af stoforganisation er dannet ud fra et bestemt sæt af objekter af enhver type og er karakteriseret ved en særlig måde at interagere mellem deres bestanddele.
Den virkelige verden, der omgiver os, har struktur - intern adskillelse, og er opdelt i tre sfærer eller tre typer materialesystemer (tabel 1): livløs natur, levende natur, samfund.
I livløs natur Som strukturelle niveauer af stoforganisation skelnes der mellem elementarpartikler, atomer, molekyler, felter, fysisk vakuum, makroskopiske legemer, planeter og planetsystemer - galakser, galaksesystemer - metagalakser.
I dyreliv De strukturelle niveauer af organiseringen af stof omfatter systemer på præcellulært niveau - nukleinsyrer og proteiner; celler som et særligt niveau af biologisk organisation, præsenteret i form af encellede organismer og elementære enheder af levende stof; flercellede organismer af flora og fauna; supraorganismestrukturer, herunder arter, populationer og biocenoser og endelig biosfæren som hele massen af levende stof.
Samfund repræsenteret af niveauer: individ, familie, grupper, sociale grupper, etniske grupper og nationer, stat, staters fagforeninger, menneskeheden.
Ansøger systemtilgang, fremhæver naturvidenskaben ikke blot typerne af materielle systemer, men afslører deres sammenhæng og korrelation, og skelner mellem tre strukturelle niveauer af stoffets organisering: mikroverdenen, makroverdenen og megaverdenen.
Mikroverden - del af den materielle verden, hvor det er umuligt for en person at kende ved direkte observation; en verden af ekstremt små, ikke direkte observerbare mikroobjekter, hvis rumlige dimension er beregnet fra 10 -8 til 10 -16 cm, og levetiden er fra uendelig til 10-24 sekunder. (på mikroniveau - denne tabel betragtes allerede som et komplekst system af partikler (molekyler, derefter atomer, derefter elementære partikler)).
Makroverden - del af den materielle verden, som en person lever og handler i, og viden er mulig gennem direkte perception ved hjælp af menneskelige sanser, en verden af makroobjekter, hvis dimension er sammenlignelig med omfanget af menneskelig erfaring: rumlige mængder udtrykkes i millimeter, centimeter og kilometer, og tid - i sekunder, minutter, timer, år.
Megaverden - del af den materielle verden, hvor viden er tilgængelig for astronomisk (observationel og teoretisk forskning); en verden af enorme kosmiske skalaer og hastigheder, hvor afstanden måles i lysår, og rumobjekters levetid måles i millioner og milliarder af år.
Tabel 1.
| STRUKTUR EUR O V N I M A T E R I | TYPER AF MATERIALESYSTEMER | |||
| Ingen. | Uorganisk natur | Lev naturen | Samfund | |
| 1. | M I K R O U R O V E N | Submikroelementær | Biologisk makromolekylær | Individuel |
| Mikroelementær | Cellulær | Familie | ||
| Atomisk | Mikroorganisk | Hold | ||
| Atomar | Organer og væv | Store sociale grupper (klasser, nationer) | ||
| Molekylær | Kroppen som helhed | Stat (civilsamfund) | ||
| Makromolekylær | Befolkninger | Statslige systemer | ||
| 2. | Mega niveau (planeter, stjerne-planetsystemer, galakser) | Biocenose | Menneskeheden som helhed | |
| 3. | Metaniveau (metagalaxy) | Biosfære | Noosfæren |
Selvom disse niveauer har deres egne specifikke love, er mikro-, makro- og megaverdenen tæt forbundet.
Således kan hele den materielle verden betragtes som en megaverden - verden af galakser, stjerner, kometer og andre himmellegemer, en makroverden - tingenes verden omkring os og en mikroverden - den usynlige verden af molekyler, atomer og elementarpartikler . Samtidig inkluderer megaverdenen mikroverdenen (galakser består af mindre legemer), makroverdenen inkluderer mikroverdenen (enhver krop består af elementarpartikler).
Hvad er strukturen af stof på et niveau mindre end makroniveauet (med dimensioner mindre end 10 -16 cm) er endnu ikke klart. På skalaer, der overstiger tusindvis af megaparsec, er universet strukturløst. På sådanne skalaer er stof homogent og isotropt, dvs. egenskaberne er de samme overalt. Med udviklingen af videnskaben udvides viden om stof, og horisonten for dens undersøgelse udvides.
Til at beskrive makro- og megaverdenen bruges klassisk fysiks ligninger og love, som gør det muligt at bestemme deres position, hastighed, bane mv. Men disse ligninger er magtesløse til at beskrive mikroverdenen; dette kræver kvantefysik og statistisk fysik, som beskriver parametrene for elementarpartikler med probabilistiske karakteristika under hensyntagen til deres bølgeegenskaber.
Fordelingen og strukturen af stof på meganiveau studeres af astrofysik, på mikroniveau - atomfysik, kernefysik og elementær partikelfysik. På makroniveau studeres stof af faststoffysik, væskers og gassers fysik.
Således går naturvidenskaberne, efter at have påbegyndt studiet af den materielle verden med de enkleste materielle genstande, som direkte opfattes af mennesker, videre til studiet af de mest komplekse genstande i de dybe strukturer af materien, ud over grænserne for menneskelig perception og uforenelige med genstandene for hverdagsoplevelsen.
PLAN| Introduktion……………………………………………………………… | 3 |
| Indbyrdes sammenhæng mellem mikro-, makro- og megaverdener………………………………….. | 4 |
| Ideen om klassisk fysik, om felt og stof som stoftyper ………………………………………………………………………………………… ……… ………… ………………….. | 5 |
| Bølge-partikel dualitet………………………..……………………………………………………………………….. | 7 |
| Atomets struktur set fra moderne fysiks synspunkt…………………………………..….….. | 8 |
| Elementarpartikler og deres egenskaber………………. | 11 |
| Modeller af universet udviklet i moderne kosmologi ………………………………………… | 12 |
| De vigtigste stadier af universets udvikling set fra moderne videnskabs synspunkt……. | 15 |
| Konklusion ………………………………………………….……... | 17 |
| Liste over brugt litteratur……………………………………………………………….….. | 19 |
1. INTRODUKTION
Hele verden omkring os bevæger stof i dets uendeligt varierede former og manifestationer med alle dets egenskaber, forbindelser og relationer.
Materie (lat. Materia - substans), "...en filosofisk kategori til at betegne objektiv virkelighed, som gives til en person i hans sanser, som kopieres, fotograferes, fremvises af vores sanser, der eksisterer uafhængigt af os."
Ordet "stof" har mange betydninger. I hverdagen bruges det til at betegne et bestemt stof. Moderne astronomi rapporterer, at det synlige univers indeholder hundredtusindvis af stjerner, stjernetåger og andre himmellegemer. Alle objekter og fænomener har på trods af deres mangfoldighed fællestræk: de eksisterer alle uden for menneskets bevidsthed og uafhængigt af ham, dvs. er materielle. Folk opdager flere og flere nye egenskaber ved naturlige kroppe og processer, producerer et uendeligt antal ting, der ikke findes i naturen, derfor er stof uudtømmeligt.
Stof og dets egenskaber er uskabte og uforgængelige, eksisterer for evigt og er uendeligt varierede i form af deres manifestationer. Alle fænomener i verden er forårsaget af naturlige materielle forbindelser og interaktioner, årsagssammenhænge og naturlove. I denne forstand er der intet overnaturligt eller i modsætning til materie i verden. Den menneskelige psyke og bevidsthed er også bestemt af materielle processer i den menneskelige hjerne og er den højeste form for refleksion af den ydre verden.
2. FORHANDLING AF MIKRO-, MAKRO- OG MEGAMORMER
Mikroverdenen er molekyler, atomer, elementarpartikler - verden af ekstremt små, ikke direkte observerbare mikroobjekter, hvis rumlige mangfoldighed er beregnet fra 10 -8 til 10 -16 cm, og levetiden er fra uendelig til 10 -24 s.
Makroverdenen er en verden af stabile former og mængder svarende til mennesker, såvel som krystallinske komplekser af molekyler, organismer, samfund af organismer; makroobjekternes verden, hvis dimension er korreleret medskalaer af menneskelig erfaring: rumlige mængder er udtrykt i millimeter, centimeter og kilometer, og tid - i sekunder, minutter, timer, år.
Megaverdenen er planeter, stjernekomplekser, galakser, metagalakser – en verden af enorme kosmiske skalaer og hastigheder, hvor afstanden måles i lysår, og rumobjekters levetid måles i millioner og milliarder af år.
Og selvom disse niveauer har deres egne specifikke love, er mikro-, makro- og megaverdenen tæt forbundet.
På det mikroskopiske niveau studerer fysikken i dag processer, der finder sted i længder af størrelsesordenen 10 -18 cm, over en tid på omkring 10 -22 sek. I megaverdenen bruger videnskabsmænd instrumenter til at registrere objekter fjernt fra os i en afstand på omkring 9-12 milliarder lysår.
Når størrelsen af objekter øges, falder interaktionsenergien. Hvis vi tager tyngdekraftens vekselvirknings energi som enhed, så vil den elektromagnetiske vekselvirkning i et atom være 10 39 gange større, og vekselvirkningen mellem nukleoner - de partikler, der udgør kernen - vil være 10 41 gange større. Jo mindre størrelsen af materialesystemerne er, jo mere fast er deres elementer forbundet med hinanden.
Opdelingen af stof i strukturelle niveauer er relativ. På tilgængelige rum-tidsskalaer manifesteres stoffets struktur i dens systemiske organisation, eksistens i form af et væld af hierarkisk interagerende systemer, lige fra elementarpartikler til Metagalaxy.
Når vi taler om strukturalitet - den interne opdeling af den materielle eksistens, kan det bemærkes, at uanset hvor bred rækkevidden af videnskabens verdensbillede er, er det tæt forbundet med opdagelsen af flere og flere nye strukturelle formationer. For eksempel, hvis synet af universet tidligere var begrænset til galaksen, derefter udvidet til et system af galakser, nu studeres Metagalaksen som et særligt system med specifikke love, interne og eksterne interaktioner.
3. IDÉ OM KLASSISK FYSIK, OM FELT OG STOFFER SOM TYPER AF STOFFER
Stof er et grundlæggende begreb forbundet med alle objekter, der findes i naturen, som vi kan bedømme gennem vores sanser. Fysik beskriver stof som noget, der eksisterer i rum og tid (rum-tid) - en idé, der kommer fra Newton (rummet er beholder af ting, tid er beholder af begivenheder); eller som noget, der selv definerer rum og tid - et begreb, der kommer fra Leibniz og senere kom til udtryk i Einsteins generelle relativitetsteori. Ændringer over tid, der opstår i forskellige former for stof, udgør fysiske fænomener.
Stof eksisterer i to former - stof og felt. De er strengt adskilt, og deres transformation til hinanden er umulig. Det vigtigste er feltet, hvilket betyder, at materiens hovedegenskab er kontinuitet i modsætning til diskrethed (konceptet om materiens kontinuerlige kontinuerte struktur).
Stof. Et klassisk stof kan være i en af tre aggregeringstilstande: gasformigt, flydende eller fast stof. Derudover skelnes der en stærkt ioniseret tilstand af stof (normalt gasformig, men i bred forstand enhver aggregeringstilstand), kaldet plasma.
Kemisk er alle stoffer opdelt i simple og komplekse (kemiske forbindelser), samt uorganiske og organiske stoffer.
Et felt i fysik er en af de stofformer, der kendetegner alle punkter i rummet (eller mere bredt rum-tid) og har et uendeligt antal frihedsgrader. Hvert punkt i rummet er tildelt en bestemt fysisk størrelse. Denne værdi ændres normalt, når du flytter fra et punkt til et andet. Afhængigt af den matematiske form af denne størrelse skelnes skalar-, vektor-, tensor- og spinorfelter.
Felter er også opdelt afhængigt af deres natur i elektromagnetiske, gravitations-, magnetiske, elektriske og nukleare kraftfelter. Felter optræder i form af vekselvirkning (overført med en endelig hastighed) af kroppe (i dette tilfælde bestemmes styrken af vekselvirkning af forskellige egenskaber ved kroppe: masse for et gravitationsfelt, ladning for et elektromagnetisk felt osv.), som i kvantefysik forklares ved overførsel af partikler, der er specifikke for hver type felt (fotoner for elektromagnetiske, hypotetiske gravitoner for gravitation, etc.). I lang tid troede man, at feltet kun var en visuel teoretisk forklaring på fænomener som lysbølger, indtil Heinrich Rudolf Hertz i 1887 beviste eksistensen af det elektromagnetiske felt eksperimentelt.
4. SÆRLIG BØLGE DUALISME
I MODERNE FYSIK
Bølge-partikel-dualitet er enhver mikropartikels egenskab til at detektere tegn på en partikel (korpuskel) og en bølge. Bølge-partikel-dualiteten kommer tydeligst til udtryk i elementarpartikler. En elektron, en neutron, en foton opfører sig under nogle forhold som vellokaliserede materielle objekter (partikler) i rummet, der bevæger sig med bestemte energier og impulser langs klassiske baner og under andre som bølger, hvilket kommer til udtryk i deres evne til at interferer og diffraktion. En elektromagnetisk bølge, der spredes på frie elektroner, opfører sig således som en strøm af individuelle partikler - fotoner, som er kvanter af det elektromagnetiske felt (Compton-effekt), og fotonens bevægelsesmængde er givet af formlen p = h/1, hvor p er længden af den elektromagnetiske bølge, og h er Plancks konstant . Denne formel i sig selv er bevis på dualisme. I den er bevægelsesmængden af en individuel partikel (foton) til venstre, og til højre er fotonens bølgelængde.
Dualiteten af elektroner, som vi er vant til at betragte som partikler, kommer til udtryk i det faktum, at når de reflekteres fra overfladen af en enkelt krystal, observeres et diffraktionsmønster, som er en manifestation af elektronernes bølgeegenskaber. Det kvantitative forhold mellem en elektrons korpuskulære og bølgekarakteristika er det samme som for en foton: p = h/1 (p er elektronens momentum, og h er dens de Broglie-bølgelængde).
Bølge-partikel dualitet er grundlaget for kvantefysikken.
5. ATOMSTRUKTUR
FRA PUNKTET AF MODERNE FYSIK
Hypotesen om atomer som udelelige partikler af stof blev genoplivet i naturvidenskaben og primært i fysik og kemi for at forklare sådanne empiriske love som Boyle-Mariotte og Gay-Lussac lovene for ideelle gasser, termisk udvidelse af legemer og forskellige kemiske love. Faktisk siger Boyle-Mariotte-loven, at volumenet af en gas er omvendt proportional med dens tryk, men forklarer ikke hvorfor. På samme måde, når et legeme opvarmes, øges dets dimensioner, men den empiriske lov om termisk udvidelse forklarer ikke årsagen til en sådan udvidelse.
For en sådan forklaring er det naturligvis nødvendigt at gå ud over de observerede afhængigheder, der er udtrykt i empiriske love, og vende sig til teoretiske hypoteser og love. I modsætning til empiriske love indeholder de begreber og mængder relateret til uobserverbare objekter. Atomer, såvel som molekyler dannet af dem, er netop sådanne objekter. Ved hjælp af atomer og molekyler i den kinetiske teori om stof er alle de nævnte og andre kendte empiriske love overbevisende forklaret. I kemi er et atom normalt defineret som den mindste del eller enhed af et kemisk grundstof.
Et forsøg på at reducere alle de forskellige og komplekse egenskaber og mønstre af kroppe og fænomener i den omgivende verden til mere simple kunne næppe betragtes som vellykket, blot fordi der på hvert vidensniveau blev afsløret nye grænser og nye udelelige partikler af stof. fundet. Indtil slutningen af forrige århundrede blev atomet betragtet som en sådan partikel, men store opdagelser inden for fysik førte til opgivelsen af dette synspunkt. Blandt disse opdagelser skal det for det første bemærkes opdagelsen af fænomenerne med naturlig radioaktivitet af sådanne kemiske elementer som radium og uran. Det viste sig, at disse grundstoffer under naturlige forhold udsender specifikke radioaktive stråler og som et resultat bliver til andre kemiske grundstoffer og i sidste ende til bly. Herfra fulgte det straks, at atomer slet ikke er uforanderlige, udelelige og universets sidste byggesten. Kort efter radioaktivitet blev den mindste partikel af elektricitet opdaget - elektronen. I 1913 studerede E. Rutherford spredning?-
partikler efter atomer af tunge grundstoffer, viste, at hovedparten af massen af et atom er koncentreret i dets centrale del - kernen, da langt fra det?
-
partikler passerer uhindret igennem. Baseret på disse eksperimenter foreslog han en planetarisk model af atomet, ifølge hvilken negativt ladede elektroner roterer i deres baner omkring en massiv kerne.
Efterfølgende blev denne model væsentligt ændret. Det viste sig, at elektroner ikke kan rotere i nogen baner, men kun i stationære, for ellers ville de kontinuerligt udsende energi og falde ned på kernen, og atomet ville spontant kollapse. Intet lignende observeres dog, da atomer er meget stabile formationer. Alle disse og relaterede revolutionære opdagelser kunne ikke forstås og forklares ud fra den gamle klassiske fysiks synspunkt.
Efter at fysikere havde fastslået, at atomet ikke er universets sidste byggesten, og at det selv er bygget af enklere, elementære partikler, tog ideen om at søge efter sådanne partikler i centrum i deres forskning. Som før var fysikernes tanke rettet mod at reducere hele mangfoldigheden af komplekse egenskaber ved legemer og naturfænomener til de simple egenskaber af et lille antal primære, fundamentale partikler, som senere blev kaldt elementære. De mest kendte elementarpartikler er elektronen, fotonen, pi-mesoner, myoner, tunge leptoner og neutrinoer. Senere blev partikler med meget eksotiske navne opdaget: mærkelige partikler, mesoner med skjult "charme", "charmerede" partikler, upsilion-partikler, forskellige resonanspartikler og mange andre. Deres samlede antal overstiger 350. Derfor er det usandsynligt, at alle sådanne partikler kan kaldes virkelig elementære, der ikke indeholder andre elementer. Denne tro styrkes af hypotesen om eksistensen af kvarker, hvorfra alle kendte elementarpartikler formodes at være konstrueret.
Et af de karakteristiske træk ved elementarpartikler er, at de har ekstremt små masser og størrelser. Massen af de fleste af dem er i størrelsesordenen af en protons masse, dvs. 1,6 x 10 -24 g, og deres dimensioner er i størrelsesordenen 10 -16 cm. En anden egenskab ved dem er evnen til at blive født og ødelagt , dvs. udsendes og absorberes, når de interagerer med andre partikler. For eksempel transformationen af et par elektroner og positroner til to fotoner: e - + e +->
2?
Lignende gensidige transformationer forekommer med andre elementarpartikler.
Ris. 2. Atomstruktur
6. ELEMENTERE PARTIKLER OG DERES EGENSKABER
I overensstemmelse med kvantefysikkens resultater er det grundlæggende begreb for moderne atomisme begrebet en elementær partikel, men de har egenskaber, der ikke havde noget til fælles med antikkens atomisme.
Udviklingen af mikroverdenens fysik har vist uudtømmeligheden af elementarpartiklernes egenskaber og deres interaktioner. Alle partikler med tilstrækkelig høj energi er i stand til interkonvertering, men underlagt en række bevarelseslove. Antallet af kendte elementarpartikler vokser konstant og overstiger allerede 300 varianter, inklusive ustabile resonanstilstande. En partikels vigtigste egenskab er dens hvilemasse. Baseret på denne egenskab er partikler opdelt i 4 grupper:
1. Lyspartikler - leptoner (foton, elektron, positron). Fotoner har ingen hvilemasse.
2. Partikler med gennemsnitlig masse - mesoner (mu-meson, pi-meson).
3. Tunge partikler - baryoner. Disse omfatter nukleoner - komponenter af kernen: protoner og neutroner. Protonen er den letteste baryon.
4. Superheavy - hyperoner. Der er få stabile varianter: fotoner (kvanter af elektromagnetisk stråling); gravitoner (hypotetiske kvanter af gravitationsfeltet); elektroner; positroner (antipartikler af elektroner); protoner og antiprotoner; neutroner; neutrinoer er de mest mystiske af alle elementarpartikler.
Neutrinoer spiller en stor rolle i kosmiske processer i hele stoffets udvikling i universet. Deres levetid er næsten uendelig. Ifølge videnskabsmænd transporterer neutrinoer en betydelig del af den energi, der udsendes af stjerner. Vores sol mister cirka 7 % af sin energi på grund af neutrinostråling; cirka 300 millioner neutrinoer falder i sekundet på hver kvadratcentimeter af Jorden vinkelret på solens stråler. Den videre skæbne for denne stråling er ukendt, men det er klart, at neutrinoen skal genindtræde i stoffets kredsløb i naturen.
Et kendetegn ved elementarpartikler er, at de fleste af dem kan opstå i kollisioner med andre partikler med tilstrækkelig høj energi: en højenergiproton bliver til en neutron med emission af en pi-meson. I dette tilfælde henfalder elementarpartikler til andre: en neutron til en elektron, en proton og en antineutrino og en neutral pi-meson til to fotoner. Pi-mesoner er således nukleare feltkvanter, der forener nukleoner og kerner.
Efterhånden som videnskaben udvikler sig, opdages nye egenskaber ved elementarpartikler. Den gensidige afhængighed af partiklernes egenskaber indikerer deres komplekse natur, tilstedeværelsen af mangefacetterede forbindelser og relationer.
De fleste elementære partikler har antipartikler, kendetegnet ved modsatte tegn på elektriske ladninger og magnetiske momenter: antiprotoner, antineutroner osv. Antipartikler kan bruges til at danne stabile atomkerner og antistof, som adlyder de samme bevægelseslove som almindeligt stof. Antistof er ikke fundet i store mængder i rummet, så eksistensen af en "anti-verden", dvs. galakser lavet af antistof er problematiske.
Med hver ny opdagelse forfines strukturen i mikroverdenen og viser sig at være mere og mere kompleks. Jo dybere vi går ind i det, jo flere nye egenskaber opdager videnskaben.
7. UNIVERSETS MODELLER,
UDVIKLET I MODERNE KOSMOLOGI
Moderne kosmologiske modeller af universet er baseret på A. Einsteins generelle relativitetsteori, ifølge hvilken metrikken for rum og tid bestemmes af fordelingen af gravitationsmasserne i universet. Dets egenskaber som helhed bestemmes af den gennemsnitlige tæthed af stof og andre specifikke fysiske faktorer. Moderne relativistisk kosmologi bygger modeller af universet, ud fra den grundlæggende tyngdekraftsligning introduceret af A. Einstein i den generelle relativitetsteori. Einsteins gravitationsligning har ikke én, men mange løsninger, hvilket forklarer eksistensen af mange kosmologiske modeller af universet. Den første model blev udviklet af L. Einstein selv i 1917. I overensstemmelse med A. Einsteins kosmologiske model af universet er verdensrummet homogent og isotropt, stof er i gennemsnit jævnt fordelt i det, tyngdekraftens tiltrækning af masser kompenseres af universel kosmologisk frastødelse.
Denne model virkede ganske tilfredsstillende på det tidspunkt, da den var i overensstemmelse med alle kendte fakta. Men nye ideer fremsat af A. Einstein stimulerede yderligere forskning, og snart ændrede tilgangen til problemet afgørende.
I samme 1917 foreslog den hollandske astronom W. de Sitter en anden model, som også var en løsning på gravitationsligningerne. Denne løsning havde den egenskab, at den ville eksistere selv i tilfælde af et "tomt" univers, frit for stof. Hvis der dukkede masser op i et sådant univers, holdt løsningen op med at være stationær: der opstod en slags kosmisk frastødning mellem masserne, der havde en tendens til at fjerne dem fra hinanden og opløse hele systemet. Tendensen til ekspansion blev ifølge W. de Sitter kun mærkbar på meget store afstande.
I 1922 blev den russiske matematiker og geofysiker L.A. Friedman afviste den klassiske kosmologis postulat om universets stationaritet og gav den aktuelt accepterede løsning på det kosmologiske problem.
Løsning af ligningerne for A.A. Friedman, tillader tre muligheder:
hvis den gennemsnitlige tæthed af stof og stråling i universet er lig med en vis kritisk værdi, viser verdensrummet sig at være euklidisk, og universet udvider sig på ubestemt tid fra den indledende punkttilstand;
hvis tætheden er mindre end kritisk, har rummet Lobachevsky-geometri og udvider sig også uden grænser;
hvis tætheden er større end den kritiske, viser universets rum sig at være Riemannsk, udvidelsen på et tidspunkt erstattes af kompression, som fortsætter indtil den indledende punkttilstand.
Ifølge moderne data er den gennemsnitlige tæthed af stof i universet mindre end kritisk, så Lobachevsky-modellen anses for mere sandsynlig, dvs. rumligt uendeligt ekspanderende univers. Det er muligt, at nogle typer stof, som er af stor betydning for den gennemsnitlige tæthed, forbliver uopklarede nu. I denne henseende er det stadig for tidligt at drage endelige konklusioner om universets endelighed eller uendelighed.
Universets udvidelse betragtes som et videnskabeligt etableret faktum. W. de Sitter var den første, der søgte efter data om spiralgalaksers bevægelse. Opdagelsen af Doppler-effekten, som indikerede tilbagetrækningen af galakser, gav impulser til yderligere teoretiske undersøgelser og nye og forbedrede målinger af spiraltågens afstande og hastigheder.
I 1929 opdagede den amerikanske astronom E.P. Hubble eksistensen af et mærkeligt forhold mellem galaksernes afstand og hastighed: alle galakser bevæger sig væk fra os, og med en hastighed, der stiger i forhold til afstanden - udvider systemet af galakser sig.
Men det faktum, at universet i øjeblikket udvider sig, giver os endnu ikke mulighed for entydigt at løse problemet til fordel for den ene eller den anden model.
8. HOVEDSTEDER I UNIVERSETS UDVIKLING
FRA DEN MODERNE VIDENSKAB
Som et af de mest sandsynlige scenarier for universets udvikling, inden for hvilket de fleste kosmologiske problemer kan løses, betragter moderne kosmologi et scenarie, der inkluderer et inflationært stadium. Inflation oversat fra latin betyder inflation. Inflationsstadiet involverer universets inflationsproces. Hovedideen med inflationsteorien er, at både udvidelsen af universet og hele det efterfølgende forløb af evolutionær udvikling betragtes fra en tilstand, hvor alt stof kun var repræsenteret af et fysisk vakuum. Men i fysisk forstand er vakuum ikke tomhed; der sker konstant processer med fødsel og ødelæggelse af alle slags partikler, kvanter og felter i det.
Big Bang model. Det menes, at efter at Big Bang fandt sted for 15 milliarder år siden, begyndte den gradvise afkøling og udvidelse af universet. Årsagerne til Big Bang og overgangen til ekspansion i alle modeller af universet anses for uklare og uden for rammerne af enhver moderne fysisk teori. Men hvis der var en eksplosion, så ser billedet sådan ud:
1. Efter 10 -43 s fra begyndelsen af ekspansionen begyndte fødslen af partikler og antipartikler.
2. Efter 10 -6 s - fremkomsten af protoner og antiprotoner og deres udslettelse. Antallet af protoner oversteg antallet af antiprotoner med en hundrede milliontedel (10 -8), hvilket resulterede i, at det stof, hvorfra alle galakser, stjerner og planeter opstod, opstod og blev bevaret efter tilintetgørelsen. Hvis antallet af protoner var lig med antallet af antiprotoner, ville sagen fuldstændigt blive til stråling, og observation af rummet og jorden ville være umulig.
3. 1 s efter starten af ekspansion begyndte elektron-positron-par at blive skabt og tilintetgjort.
4. Efter 1 minut begyndte nuklear fusion og dannelsen af deuterium- og heliumkerner. Sidstnævnte tegnede sig for cirka 30% af massen af de resterende protoner. Dannelsen af tungere grundstoffer kunne ikke forklares inden for rammerne af denne teori, da der ikke var tid nok til deres syntese under udvidelsesprocessen. Disse grundstoffer dannes i den efterfølgende udvikling af stjerner som et resultat af termonukleære reaktioner i deres tarme, og tunge grundstoffer syntetiseres under supernovaeksplosioner og kastes derefter ud i det ydre rum, hvor de til sidst koncentreres til gas- og støvskyer, hvorfra anden- generationsstjerner såsom Solen og planeter dannes omkring dem.
300 tusind år efter Big Bang blev stråling adskilt fra stof, universet blev gennemsigtigt, og i løbet af de næste milliarder af år begyndte der at dannes galakser, primærstjerner i kuglehobe og andengenerationsstjerner i galaksers spiralarme.
9. KONKLUSION
Folk har længe forsøgt at finde en forklaring på verdens mangfoldighed og særhed.
Alle de ovennævnte revolutionære opdagelser i fysik væltede tidligere eksisterende syn på verden. Overbevisningen om universaliteten af den klassiske mekaniks love forsvandt, fordi de tidligere ideer om atomets udelelighed, massens konstanthed, kemiske grundstoffers uforanderlighed osv. blev ødelagt.
I moderne videnskab er grundlaget for ideer om strukturen af den materielle verden en systemtilgang, hvorefter ethvert objekt i den materielle verden, det være sig et atom, planet, organisme eller galakse, kan betragtes som en kompleks formation, bl.a. komponentdele organiseret i integritet. For at betegne objekters integritet i videnskaben blev konceptet om et system udviklet.
Udgangspunktet for enhver systemisk forskning er ideen om integriteten af det system, der undersøges. Systemets integritet betyder, at alle dets komponenter, når de kombineres, danner en unik helhed, der har nye integrerende egenskaber.
I naturvidenskaben skelnes der mellem to store klasser af materielle systemer: systemer af livløs natur og systemer af levende natur.
I den livløse natur skelnes elementærpartikler, atomer, molekyler, felter, fysisk vakuum, makroskopiske legemer, planeter og planetsystemer, stjerner og stjernesystemer - galakser, galaksesystemer - metagalakse som strukturelle niveauer af organisering af stof.
I den levende natur omfatter de strukturelle niveauer af organisering af stof systemer på præcellulært niveau - nukleinsyrer og proteiner; celler som et særligt niveau af biologisk organisation, præsenteret i form af encellede organismer og elementære enheder af levende stof; flercellede organismer af flora og fauna; supraorganismestrukturer, herunder arter, populationer og biocenoser, og endelig biosfæren som hele massen af levende stof.
Naturvidenskaberne har påbegyndt studiet af den materielle verden med de enkleste materielle genstande, der direkte opfattes af mennesker, og går videre til studiet af de mest komplekse genstande i stoffets dybe strukturer, ud over grænserne for menneskelig opfattelse og uforenelige med genstandene i stoffet. hverdagsoplevelse.
Studiet af materien og dets strukturelle niveauer er en nødvendig betingelse for dannelsen af et verdensbillede, uanset om det i sidste ende viser sig at være materialistisk eller idealistisk.
LISTE OVER BRUGTE REFERENCER
- Weinberg S. De første tre minutter. Et moderne syn på universets oprindelse / S. Weinberg. -M.: Nauka, 1981
- Dorfman Ya.G. Fysikkens verdenshistorie fra begyndelsen af det 19. århundrede til midten af det 20. århundrede 8Ya.G. Dorfman. -M.: Nauka, 1979
- Marion J.B. Fysik og den fysiske verden / J.B. Marion. -M.: Mir, 1975
- Khoroshavina S.G. Begreber om moderne naturvidenskab: et kursus med forelæsninger / Ed. 4. - Rostov n/a: Phoenix, 2005
- Shklovsky I.S. Stjerner, deres fødsel, liv og død / I.S. Shklovsky. -M.: Nauka, 1977
Tre niveauer af materiens struktur: mikro-, makro- og megaverden. Materien som en objektiv virkelighed. To hovedformer for bevægelse af stof: i rum og tid. Atomistisk hypotese om strukturen af stof hos Demokrit. Niels Bohrs teori og model for atomet.
EN akademi
Prøve
i disciplinen "KSE"
om emnet: "Fundamental interaktion og mangfoldighed af strukturer i mikro-, makro- og megaverdenen"
Indhold INTRODUKTION 3- Kapitel I. Sag 5
- Kapitel II. Strukturelle niveauer af organisering af stof. 7
- Mikro, makro, mega verdener 7
- 2.1 Mikroverden 8
- 2.2 Macroworld 10
- 2.3 Megaworld 13
- Konklusion 21
- Referencer 22
Gorelov A.A. Begreber af moderne naturvidenskab. - M.: Center, 1998. - 208 s.
Gorbatjov V.V. Begreber om moderne naturvidenskab: Lærebog. godtgørelse for universitetsstuderende. - M., 2005. - 672 s.
Karpenkov S.Kh. Begreber om moderne naturvidenskab - M.: 1997.
