 |
Пространство, время, симметрия
|
|
|
|
Тема 1-02-01. Принципы симметрии, законы сохранения
Понятие симметрии в естествознании: инвариантность относительно тех или иных преобразований
Нарушенные (неполные симметрии)
Эволюция как цепочка нарушений симметрии
Простейшие симметрии:
- однородность (одинаковые свойства во всех точках)
- изотропность (одинаковые свойства во всех направлениях)
Симметрии пространства и времени:
- однородность пространства
- однородность времени
- изотропность пространства
Анизотропность времени (время необратимо)
Теорема Нётер как общее утверждение о взаимосвязи симметрий с законами сохранения
Закон сохранения энергии как следствие однородности времени
Закон сохранения импульса (количества поступательного движения) как следствие однородности пространства
Закон сохранения момента импульса (количества вращательного движения) как следствие изотропности пространства
Тема 1-02-02. Эволюция представлений о пространстве и времени
Понимание пространства и времени как инвариантных самостоятельных сущностей (пустота у древнегреческих атомистов; Абсолютные пространство и время Ньютона)
Понимание пространства и времени как системы отношений между материальными телами (пространство как категория места, время как мера движения у Аристотеля; изменение пространственных и временн ы х промежутков при смене системы отсчёта у Эйнштейна)
Классический закон сложения скоростей как следствие ньютоновских представлений об Абсолютном пространстве и Абсолютном времени
Концепция мирового эфира
Нарушение классического закона сложения скоростей в опыте Майкельсона-Морли (эфирного ветра не существует, скорость света постоянна)
|
|
|
Современная научная картина мира:
- отказ от идеи Абсолютных пространства и времени, мирового эфира и других выделенных систем отсчета
- признание тесной взаимосвязи между пространством, временем, материей
и её движением
Тема 1-02-03. Специальная теория относительности
Принцип относительности Галилея (законы механики инвариантны относительно смены системы отсчета)
Принцип относительности (первый постулат Эйнштейна): законы природы инвариантны относительно смены системы отсчёта
Инвариантность скорости света (второй постулат Эйнштейна)
Постулаты Эйнштейна как проявление симметрий пространства и времени
Основные релятивистские эффекты (следствия из постулатов Эйнштейна):
- относительность одновременности
- относительность расстояний (релятивистское сокращение длин)
относительность промежутков времени (релятивистское замедление времени)
- инвариантность пространственно-временного интервала между событиями
- инвариантность причинно-следственных связей
- единство пространства-времени
- эквивалентность массы и энергии (E=mc2 масса тоже относительна: чем быстрее тело движется, тем больше его масса)
Соответствие СТО и классической механики: их предсказания совпадают при малых скоростях движения (гораздо меньше скорости света)
Примечание: относительны – значит, различны в различных системах отсчета, инвариантны – значит, одинаковы во всех системах отсчета
Тема 1-02-04. Общая теория относительности
Общая теория относительности (ОТО): распространение принципа относительности на неинерциальные системы отсчета
Принцип эквивалентности: ускоренное движение неотличимо никакими измерениями от покоя в гравитационном поле
Взаимосвязь материи и пространства-времени: материальные тела изменяют геометрию пространства-времени, которая определяет характер движения материальных тел (в гравитационном поле пространственно-временной континуум искривляется, т.е. пространственные отрезки сокращаются, а время замедляется)
|
|
|
Соответствие ОТО и классической механики: их предсказания совпадают в слабых гравитационных полях (скорость света постоянна в областях, где гравитационными силами можно пренебречь)
Эмпирические доказательства ОТО:
- отклонение световых лучей вблизи Солнца
- замедление времени в гравитационном поле
- смещение перигелиев планетных орбит
Структурные уровни и системная организация материи
Тема 1-03-01. Микро-, макро-, мегамиры
Вселенная в разных масштабах: микро-, макро- и мегамир
Критерий подразделения: соизмеримость с человеком (макромир) и несоизмеримость с ним (микро- и мегамир)
Основные структуры микромира: элементарные частицы, атомные ядра, атомы, молекулы
Основные структуры мегамира: планеты, звёзды, галактики
Единицы измерения расстояний в мегамире: астрономическая единица (в Солнечной системе), световой год, парсек (межзвёздные и межгалактические расстояния)
Звезда как небесное тело, в котором естественным образом происходили, происходят или с необходимостью будут происходить реакции термоядерного синтеза
Атрибуты планеты:
- не звезда
- обращается вокруг звезды (например, Солнца)
- достаточно массивно, чтобы под действием собственного тяготения стать шарообразным
- достаточно массивно, чтобы своим тяготением расчистить пространство вблизи своей орбиты от других небесных тел
Галактики — системы из миллиардов звёзд, связанных взаимным тяготением и общим происхождением
Наша Галактика, её основные характеристики:
- гигантская (более 100 млрд. звёзд)
- спиральная
- диаметр около 100 тыс. световых лет
Пространственные масштабы Вселенной: расстояние до наиболее удалённых из наблюдаемых объектов более 10 млрд. световых лет
Вселенная, Метагалактика, разница между этими понятиями (Метагалактика – это видимая часть Вселенной)
Тема 1-03-02. Системные уровни организации материи
(данная тема только для специальностей, в ГОС которых отсутствует биологический уровень организации материи)
Целостность природы
Системность природы
|
|
|
Аддитивные свойства систем (аддитивность) (это свойства систем, равные сумме свойств элементов)
Интегративные свойства систем (интегративность) (это свойства, которые не равны сумме свойств элементов)
Совокупности, не являющиеся системами, например,
созвездия (участки звёздного неба, содержащие группы звёзд с характерным рисунком) и др.
Иерархичность природных структур как отражение системности природы: структуры данного уровня входят как подсистемы в структуру более высокого уровня, обладающую интегративными свойствами
Иерархические ряды природных систем:
- физических (фундаментальные частицы — составные элементарные частицы — атомные ядра — атомы — молекулы — макроскопические тела)
- химических (атом — молекула — макромолекула – вещество)
- астрономических (звёзды с их планетными системами — галактики — скопления галактик — сверхскопления галактик)
|
|
|
