Концепции современного естествознания: Шпаргалка

Естествознание – это совокупность наук о явлениях и законах природы. Само слово «естествознание» образовано из двух слов: «естество» (природа) и «знание», что означает буквально знание природы. В настоящее время в области естествознания накоплен огромный научный материал, изложить который в одной учебной дисциплине не представляется возможным. В связи с этим ограничимся лишь рассмотрением концепций современного естествознания. Концепция (от лат. conceptio – понимание, система) – это определенный способ понимания, трактовки каких-либо явлений, основная точка зрения, руководящая идея для их освещения. Концептуальный подход позволяет с единых позиций интегрировать разрозненные знания о неживой и живой природе и человеческом обществе в целостную естественнонаучную

картину мира. Он полезен не только для понимания истории развития естествознания, сути изучаемых им явлений и законов природы, но и для ознакомления с важнейшими достижениями естествознания.

В процессе получения нового знания исследователь всегда пользуется определенной методологией. Слово «методология» происходит от греческих слов «методос» (путь познания) – метод и «логос» – учение и означает учение о методах. В современном понимании методология – учение о структуре, логической организации, методах и средствах деятельности. Метод – это способ достижения какой-либо цели, включающий совокупность приемов практической или теоретической деятельности. Метод вооружает человека наиболее рациональными способами проведения исследований и тем самым оптимизирует его деятельность. Один из основоположников научной методологии английский философ Ф. Бэкон (1561–1626) считал, что научный метод подобен фонарю, освещающему дорогу бредущему в темноте путнику.

В основе представлений о микромире лежит атомистическая концепция о строении материи, которая впервые была выдвинута древнегреческим философом Левкиппом (ок. 500–440 до н. э.). Он ввел такие понятия, как «атом» и «пустота». Атомистические представления Левкиппа были конкретизированы, дополнены и развиты другим великим древнегреческим философом – Демокритом (ок. 460–370 до н. э.). Согласно гипотезе Демокрита, в абсолютной пустоте окружающего пространства существует бесконечное число мельчайших неделимых частиц – атомов, которые имеют разнообразную форму и движутся в пустоте беспорядочно, иногда они сталкиваются и отскакивают друг от друга, но иногда сцепляются в разных положениях и сочетаниях, что означает образование вещей с разным качеством. Эпикур (341–270 до н. э.) наделил атомы еще свойством тяжести. Атомы вечны, а вещи, образованные из них, гибнут (разъединяются), но сами атомы остаются, они далее могут сцепляться в новых сочетаниях с образованием новых вещей и т. д. Так возникают из атомов не только обычные вещи, но и Земля, звезды, космические миры в бесконечном пространстве.

Концепция атомизма получила дальнейшее развитие в XVIII веке в работах Дж. Дальтона (17661844), который принял атомный вес водорода за единицу и сопоставил с ним атомные веса других газов. Благодаря этому стали изучаться физико-химические свойства атомов. В XIX веке Д.И. Менделеев (1834–1907) построил систему химических элементов, основанную на их атомном весе.

Систематические исследования строения атомов начались в 1897 году благодаря открытию Дж. Томсоном (1856–1940) электрона – отрицательно заряженной частицы, входящей в состав всех атомов. В 1903 году Дж. Томсон, развивая идеи У. Томсона (лорда Кельвина) (1824–1907) о строении атома (У. Томсон в 1902 году предложил первую модель атома, согласно которой положительный заряд в атоме распределен в достаточно большой области, а электроны вкраплены в него, как «изюм в пудинг»), усовершенствовал модель атома. Атом, по Дж. Томсону, представлял собой положительно заряженный шар с вкрапленными в него электронами, суммарный отрицательный заряд которых по модулю равен положительному заряду шара (модель атома Томсона). Поскольку масса электрона приблизительно в 2000 раз меньше массы атома водорода, то предполагалось, что почти вся масса атома определяется массой положительного заряда.

В 1908 году Х. Гейгер и Э. Марсден, сотрудники лаборатории Э. Резерфорда (1871–1937), провели опыты по прохождению альфа-частиц через тонкие фольги из золота и других металлов и обнаружили, что почти все они проходят через фольгу, будто нет препятствия, и только 1/10000 из них испытывает сильное отклонение. С помощью модели Дж. Томсона это объяснить не удалось, но Резерфорд нашел выход. Он обратил внимание на то, что большая часть частиц отклоняется на малый угол, а малая – до 150°. Резерфорд пришел к выводу, что они взаимодействуют с каким-то

массивным объектом малого размера, этот объект представляет собой ядро атома – положительно заряженную микрочастицу, размер которой (10– 12 см) очень мал по сравнению с размерами атома (10– 8 см), но в нем почти полностью сосредоточена масса атома.

В 1911 году Резерфорд предложил модель атома, которая напоминала Солнечную систему: в центре находится атомное ядро, а вокруг него по своим орбитам движутся электроны. Однако эта модель содержала неразрешимое противоречие, заключавшееся в том, что электроны по круговым орбитам движутся с ускорением, а следовательно, согласно законам электродинамики они обязаны излучать электромагнитную энергию. В этом случае электроны очень быстро потеряли бы свою энергию и упали бы на ядро, но опыт показывает, что этого не происходит.

В 1913 году датскому физику Н. Бору (1885–1962) удалось усовершенствовать планетарную модель атома Резерфорда и тем самым разрешить имеющиеся в ней противоречия. Для этого Бору потребовалось ввести два постулата, совершенно несовместимые с классической физикой:

1) из бесчисленного множества электронных орбит, возможных с точки зрения классической механики, осуществляются в действительности только некоторые дискретные круговые орбиты, удовлетворяющие определенным квантовым условиям. Электрон, находящийся на одной из этих орбит, несмотря на то, что он движется с ускорением, обусловленным изменением направления вектора скорости, не излучает электромагнитных волн (света);

2) излучение испускается или поглощается атомом в виде порции (кванта) энергии при переходе электрона из одного стационарного (устойчивого) состояния в другое, т. е. при переходе с одной стационарной орбиты на другую.

В настоящее время известны четыре вида фундаментальных взаимодействий в природе: сильное, электромагнитное, слабое и гравитационное. Сильное взаимодействие обеспечивает связь нуклонов в ядре и определяет ядерные силы. Предполагается, что ядерные силы возникают при обмене между нуклонами кварками. Кварк, принадлежащий одному нуклону, переходит в другой нуклон, кварк которого в свою очередь переходит в первый нуклон. Этот обмен эквивалентен обмену между нуклонами виртуальной парой «кварк – антикварк», которую иногда называют пионом, и говорят, что сильное взаимодействие между нуклонами в ядре осуществляется за счет обмена между ними виртуальными пионами. Виртуальными частицами называют такие частицы, экспериментально обнаружить которые в ходе обменного процесса невозможно. Сильное взаимодействие между нуклонами действует на расстоянии ~10– 13 см, т. е. практически в пределах ядра. Энергия связи между нуклонами является чрезвычайно большой, например, для ядра гелия она равна 7,1 МэВ/нуклон, а для ядра цинка – 8,7 МэВ/нуклон. Это является причиной высокой устойчивости ядер.

Электромагнитное взаимодействие связано с электрическими и магнитными полями. Носителями электромагнитного взаимодействия являются виртуальные фотоны – кванты электромагнитного поля, которыми обмениваются заряды. Электрическое поле возникает при наличии электрических зарядов, а магнитное поле – при их движении. Электромагнитное взаимодействие описывается фундаментальными законами электростатики и электродинамики: законом Кулона, законом Ампера, законом Фарадея – Максвелла и др. Его более общее описание дает электромагнитная теория Дж. Максвелла (1831–1879), основанная на фундаментальных уравнениях, связывающих электрическое и магнитное поля. В процессе электромагнитного взаимодействия электроны и атомные ядра соединяются в атомы, атомы – в молекулы. Различные агрегатные состояния вещества (твердое, жидкое, газообразное, плазменное), явление трения, упругие и другие свойства вещества определяются преимущественно силами межмолекулярного взаимодействия, которое по своей природе является электромагнитным.

Слабое взаимодействие несет ответственность за некоторые виды ядерных процессов. Слабое взаимодействие между частицами осуществляется посредством обмена так называемыми промежуточными бозонами. Оно простирается на расстояние ~10– 22– 10– 16 см и связано главным образом с распадом частиц, например, с происходящими в атомном ядре превращениями нейтрона в протон, электрон и антинейтрино. В соответствии с современным уровнем знаний большинство частиц нестабильны именно благодаря слабому взаимодействию.