Реферат: Физика и другие науки

Физика и её связь с другими науками. Современный взгляд.

В настоящее время происходит величайшая научно-техническая революция, которая

началась более четверти века назад. Она произвела глубокие качественные

изме­нения во многих областях науки и техники. Одна из древнейших наук —

астрономия переживает революцию, связанную с выходом человека в

космическое простран­ство. Рождение кибернетики и электронных вычислительных

машин ре­волюционно изменило облик математики, проложило путь к новой области

человеческой деятельности, получившей название информатики. Возникновение

молекулярной биоло­гии и генетики вызвало революцию в биологии, а создание

так называ­емой большой химии стало воз­можным благодаря революции в

хи­мической науке. Аналогичные про­цессы происходят также в геоло­гии,

метеорологии, океанологии и многих других современных науках.

Во всем мире наблюдаются глубокие качественные перемены в ос­новных отраслях

техники. Револю­ция в энергетике связана с переходом от тепловых

электростанций, работающих на органическом топли­ве, к атомным

электростанциям. Создание индустрии искусственных материалов с необычными, но

очень важными для практики свойствами произвело революцию в

материало­ведении. Комплексная механизация и автоматизация ведут нас к

рево­люции в промышленности и сель­ском хозяйстве. Транспорт, строи­тельство,

связь становятся принци­пиально новыми, значительно более производительными и

совершенными отраслями современной техники.

Физика и астрономия.

В совре­менном естествознании, физика яв­ляется одной из лидирующих наук. Она

оказывает огромное влияние на различные отрасли науки, тех­ники,

производства. Рассмотрим на нескольких примерах, как физика влияет на другие

области совре­менной науки и техники.

На протяжении тысячелетий аст­рономы получали только ту инфор­мацию о

небесных явлениях, которую им приносил свет. Можно сказать, что они изучали

эти явления через узенькую щель в обширном спектре электромагнитных

излучений. Три десятилетия тому назад благодаря развитию радиофизики возникла

радиоастрономия, необычайно рас­ширившая наши представления о Вселенной. Она

помогла узнать о существовании многих космических объектов, о которых ранее

не было известно. Дополнительным источ­ником астрономических знаний стал

участок электромагнитной шкалы, лежащий в диапазоне дециметро­вых и

сантиметровых радиоволн.

Огромный поток научной ин­формации приносят из космоса дру­гие виды

электромагнитного излу­чения, которые не достигают по­верхности Земли,

поглощаясь в ее атмосфере. С выходом человека в космическое пространство

родились новые разделы астрономии: ультра­фиолетовая и инфракрасная

астрономия, рентгеновская и гамма-астрономия. Необычайно расшири­лась

возможность исследования пер­вичных космических частиц, пада­ющих на границу

земной атмосфе­ры: астрономы могут исследовать все виды частиц и излучений,

приходя­щих из космического пространства. Объем научной информации,

полу­ченной астрономами за последние десятилетия, намного превысил объем

информации, добытой за всю прошлую историю астрономии. Ис­пользуемые при этом

методы иссле­дования и регистрирующая аппара­тура заимствуются из арсенала

современной физики; древняя астро­номия превращается в моло­дую, бурно

развивающуюся астро­физику.

Сейчас создаются основы нейтринной астрономии, которая будет доставлять

ученым сведения о про­цессах, происходящих в недрах кос­мических тел,

например в глубинах нашего Солнца. Создание нейтринной астрономии стало

возможным только благодаря успехам физики атомных ядер и элементарных

час­тиц.

Физика и биология.

Революцию в биологии обычно связывают с воз­никновением молекулярной биологии

и генетики, изучающих жизненные процессы на молекулярном уровне. Основные

средства и методы, ис­пользуемые молекулярной биоло­гией для обнаружения,

выделения и изучения своих объектов (электрон­ные и протонные микроскопы,

рентгеноструктурный анализ, электро­нография, нейтронный анализ, мече­ные

атомы, ультрацентрифуги и т. п.), заимствованы у физики. Не располагая

этими средс1вами, родившимися в физических лабо­раториях, биологи не сумели

бы осуществить прорыв на качественно новый уровень исследования про­цессов,

протекающих в живых ор­ганизмах.

Важную роль современная физи­ка играет в революционной перест­ройке химии,

геологии, океанологии и ряда других естественных наук.

Физика и техника.

Физика стоит также у истоков революционных преобразований во всех областях

техники. На основе ее достижений перестраиваются энергетика, связь,

транспорт, строительство, промыш­ленное и сельскохозяйственное производство.

Энергетика.

Революция в энерге­тике вызвана возникновением атом­ной энергетики. Запасы

энергии, хранящиеся в атомном топливе, намного превосходят запасы энергии в

еще не израсходованном обычном топливе. Уголь, нефть и природный газ в наши

дни превратились в уни­кальное сырье для большой химии. Сжигать их в больших

количест­вах — значит наносить непоправи­мый ущерб этой важной области

современного производства. По­этому весьма важно использовать для

энергетических целей атомное топливо (уран, торий). Тепловые электростанции

оказывают неустра­нимое опасное воздействие на окружающую среду, выбрасывая

уг­лекислый газ. В то же время атом­ные электростанции при должном уровне

контроля могут быть бе­зопасны.

Термоядерные электростанции в будущем навсегда избавят челове­чество от

заботы об источниках энергии. Как мы уже знаем, научные основы атомной и

термоядерной энергетики целиком опираются на достижения физики атомных ядер.

Создание материалов с заданны­ми свойствами привело к изменениям в

строительстве. Техника будущего будет создаваться в значительной степени не

из готовых природных материалов, которые уже в наши дни не могут сделать ее

достаточно надежной и долговечной, а из синтетических материалов с наперед

заданными свойствами. В создании таких материалов наряду с боль­шой химией

все возрастающую роль будут играть физические мето­ды воздействия на вещество

(элек­тронные, ионные и лазерные пучки; сверхсильные магнитные поля;

сверх­высокие давления и температуры; ультразвук и т. п.). В них заложена

возможность получения материалов с предельными характеристиками и создания

принципиально новых ме­тодов обработки вещества, корен­ным образом изменяющих

современ­ную технологию.

Автоматизация производства.

Предстоит огромная работа по созданию комплексно-автоматизиро­ванных

производств, включающих в себя гибкие автоматические ли­нии, промышленные

роботы, управ­ляемые микрокомпьютерами, а так­же разнообразную

электронную контрольно-измерительную аппара­туру. Научные основы этой техники

органически связаны с радиоэлектро­никой, физикой твердого тела, физи­кой

атомного ядра и рядом других разделов современной физики.

Физика и информатика.

Физика вносит решающий вклад в создание современной вычислительной техни­ки,

представляющей собой мате­риальную основу информатики. Все поколения

электронных вычислитель­ных машин (на вакуумных лампах, полупроводниках и

интегральных схемах[1]), созданные до

наших дней, родилась в современных лабораториях.

Современная физика открывает новые перспективы для дальнейшей миниатюризации,

увеличения быстродействия и надежности вычислительных машин. Применение

лазеров и развивающейся на их основе голографии таит в себе огромные резервы

для совершенствования вычислительной техники.

Значение физики

Такая тесная связь физики с другими науками объясняется важностью физики, её

значением, так как физика знакомит нас с наиболее общими законами природы,

управ­ляющими течением процессов в ок­ружающем нас мире и во Вселен­ной в

целом.

Цель физики заключается в отыскании общих законов природы и в объяснении

конкретных процес­сов на их основе. По мере продви­жения к этой цели перед

учеными постепенно вырисовывалась вели­чественная и сложная картина единства

природы. Мир представ­ляет собой не совокупность разроз­ненных, независимых

друг от друга событий, а разнообразные и много­численные проявления одного

целого.

Механическая картина мира и физика. Многие поколения ученых поража­ла и

продолжает поражать величе­ственная и цельная картина мира, которая была

создана на основе механики Ньютона. Согласно Нью­тону, весь мир состоит «из

твер­дых, весомых, непроницаемых, под­вижных частиц». Эти «первичные частицы

абсолютно тверды: они не­измеримо более тверды, чем тела, которые из них

состоят, настолько тверды, что они никогда не изна­шиваются и не разбиваются

вдре­безги». Отличаются они друг от друга главным образом количествен­но,

своими массами. Все богатство, все качественное многообразие ми­ра — это

результат различий в дви­жении частиц. Внутренняя сущ­ность частиц остается

на втором плане.

Основанием для такой единой картины мира послужил всеобъем­лющий характер

открытых Ньюто­ном законов движения тел. Этим за­конам с удивительной

точностью под­чиняются как громадные небесные тела, так и мельчайшие

песчинки, гонимые ветром. И даже ветер — движение не видимых глазом час­тиц

воздуха — подчиняется тем же законам. На протяжении долгого времени ученые

были уверены, что единственными фундаментальными законами природы являются

законы механики Ньютона. Французский ученый Лагранж считал, что «нет человека

счастливее Ньютона: ведь только однажды одному человеку суждено построить

картину мира».

Однако простая механическая картина мира оказалась несостоя­тельной. При

исследовании электро­магнитных процессов выяснилось, что они не подчиняются

механике Ньютона. Дж. Максвелл открыл новый тип фундаментальных зако­нов,

которые не сводятся к меха­нике Ньютона,— это законы поведе­ния

электромагнитного поля.

Электромагнитная картина мира и физика. В механике Ньютона предполага­лось,

что тела непосредственно че­рез пустоту действуют друг на дру­га и эти

взаимодействия осуществ­ляются мгновенно (теория дально­действия). После

создания электро­динамики представления о силах существенно изменились.

Каждое из взаимодействующих тел создает электромагнитное поле, которое с

конечной скоростью распространя­ется в пространстве. Взаимодействие

осуществляется посредством этого поля (теория близкодействия).

Электромагнитные силы чрезвы­чайно широко распространены в природе. Они

действуют в атомном ядре, атоме, молекуле, между от­дельными молекулами в

макроско­пических телах. Это происходит по­тому, что в состав всех атомов

вхо­дят электрически заряженные час­тицы. Действие электромагнитных сил

обнаруживается и на очень малых расстояниях (ядро), и на космических

(электромагнитное из­лучение звезд).

Развитие электродинамики при­вело к попыткам построить единую

электромагнитную картину мира. Все события в мире согласно этой картине

управляются законами элек­тромагнитных взаимодействий.

Кульминации электромагнитная картина мира достигла после созда­ния

специальной теории относитель­ности. Было понято фундаменталь­ное значение

конечности скорости распространения электромагнитных взаимодействий, создано

новое уче­ние о пространстве и времени, найдены релятивистские уравнения

движения, заменяющие уравнения Ньютона при больших скоростях.

Если во времена расцвета механической картины мира делались попытки свести

электромагнитные явления к механическим процессам в особой среде (мировом

эфире), то теперь уже стремились, наобо­рот, вывести законы движения час­тиц

из электромагнитной теории. Частицы вещества пытались рассматривать как

«сгустки» электро­магнитного поля. Однако свести все процессы в природе к

электромаг­нитным не удалось. Уравнения дви­жения частиц и закон

гравитацион­ного взаимодействия не могут быть выведены из теории

электромаг­нитного поля. Кроме того, были открыты электрически нейтральные

частицы и новые типы взаимодей­ствия. Природа оказалась сложнее, чем

предполагали вначале: ни еди­ный закон движения, ни единственная сила не

способны охватить всего многообразия процессов в мире.

Единство строения материи и физика. Мир чрезвычайно разнообразен. Но как это

ни удивительно, вещество звезд точно такое же, как и вещество, из которого

состоит Земля. Атомы, сла­гающие все тела Вселенной, со­вершенно одинаковы.

Живые ор­ганизмы состоят из тех же атомов, что и неживые.

Все атомы имеют одинаковую структуру и построены из элемен­тарных частиц трех

сортов. У них есть ядра из протонов и нейтро­нов, окруженные электронами.

Яд­ра и электроны взаимодействуют друг с другом посредством

электро­магнитного поля, квантами которого являются фотоны.

Взаимодействие же между про­тонами и нейтронами в ядре осу­ществляют в

основном π-мезоны, которые представляют собой кванты ядерного поля. При

распаде нейтро­нов появляются нейтрино. Кроме того, открыто много других

эле­ментарных частиц. Но только при взаимодействии частиц очень боль­ших

энергий они начинают играть заметную роль.

В первой половине XX века был открыт фундаментальный факт: все элементарные

частицы способны превращаться друг в друга.

В 70-е гг. было установлено, что все сильно взаимодействующие час­тицы

состоят из субэлементарных частиц — кварков шести видов. Ис­тинно

элементарными частицами яв­ляются лептоны и кварки.

После открытия элементарных частиц и их превращений на пер­вый план единой

картины мира выступило единство в строении ма­терии. В основе этого единства

ле­жит материальность всех элементар­ных частиц. Различные элементар­ные

частицы — это различные конк­ретные формы существования ма­терии.

Современная физическая картина мира и роль физики. Единство мира не

исчерпы­вается единством строения материи. Оно проявляется и в законах

дви­жения частиц, и в законах их взаимодействия.

Несмотря на удивительное раз­нообразие взаимодействий тел друг с другом, в

природе по современ­ным данным имеются лишь четыре типа сил. Это

гравитационные силы, электромагнитные, ядерные и сла­бые взаимодействия.

Последние про­являются главным образом при превращениях элементарных частиц

друг в друга. С проявлением всех четырех типов сил мы встречаемся в

безграничных просторах Вселен­ной, в любых телах на Земле (в том числе и в

живых организмах), в атомах и атомных ядрах, при всех превращениях

элементарных частиц.

Революционное изменение клас­сических представлений о физи­ческой картине

мира произошло после открытия квантовых свойств материи. С появлением

квантовой физики, описывающей движение мик­рочастиц, начали вырисовываться

новые элементы единой физической картины мира.

Разделение материи на вещество, имеющее прерывное строение, и не­прерывное

поле потеряло абсолют­ный смысл. Каждому полю соот­ветствуют кванты этого

поля: электромагнитному полю — фотоны, ядерному — π-мезоны, а на более

глубоком уровне — глюоны, осуще­ствляющие взаимодействие кварков.

В свою очередь все частицы об­ладают волновыми свойствами. Корпускулярно-

волновой дуализм при­сущ всем формам материи.

Описание, казалось бы, взаимо­исключающих корпускулярных и вол­новых свойств

в рамках одной теории оказалось возможным благодаря тому, что законы движения

всех без исключения микрочастиц носят ста­тистический (вероятностный)

харак­тер. Этот факт делает невозможным однозначное предсказание того или

иного поведения микрообъектов.

Принципы квантовой теории яв­ляются совершенно общими, приме­нимыми для

описания движения всех частиц, взаимодействий меж­ду ними и их взаимных

превра­щений.

Итак, современная физика с не­сомненностью демонстрирует нам черты единства

природы. Но все же многого, быть может даже саму физическую суть единства

мира, уловить пока еще не удалось. Не­известно, почему существует столь много

различных элементарных частиц, почему они имеют те или иные значения массы,

заряда и других характеристик. До сих пор все эти величины определяются

экспери­ментально.

Однако все отчетливее вырисо­вывается связь между различными типами

взаимодействий Электро­магнитные и слабые взаимодействия уже объединены в

рамках одной теории. Выяснена структура боль­шинства элементарных частиц.

«Здесь скрыты столь глубокие тайны и столь возвышенные мысли, что, несмотря

на старания сотен остроумнейших мыслителей, трудив­шихся в течение тысяч лет,

еще не удалось проникнуть в них, и ра­дость творческих исканий и откры­тий

все еще продолжает существо­вать». Эти слова, сказанные Галилеем три с

половиной столетия назад, нисколько не устарели.

Научное мировоззрение. Фунда­ментальные законы, устанавлива­емые в физике, по

своей слож­ности и общности намного превос­ходят те факты, с которых

начи­нается исследование любых явле­ний. Но они столь же достоверны и столь

же объективны, как и знания о простых явлениях, наблюдаемых не­посредственно.

Эти законы не нару­шаются никогда, ни при каких ус­ловиях.

Все большее и большее число людей осознают, что объективные законы, которым

следует природа, исключают чудеса, а познание этих законов позволит

человечеству вы­жить.

[1] В интегральных схемах вместо обыч­ных

радиодеталей и соединяющих их прово­дов используются тонкие слои молекул

опре­деленного сорта, вводимых внутрь кристал­лика полупроводника или

напыляемых на его поверхность. Благодаря этому можно на по­верхности

полупроводникового кристалла площадью 1 квадратный сантиметр разместить сотни

тысяч тран­зисторов и других элементов схемы.