WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

   Добро пожаловать!


Pages:     || 2 | 3 | 4 | 5 |   ...   | 7 |
Министерство образования Российской Федерации РОССИЙСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ НЕФТИ И ГАЗА им. И.М. ГУБКИНА Кафедра физики Любутина Л.Г.

Нагаев В.Б.

ФИЗИЧЕСКАЯ КАРТИНА МИРА ФУНДАМЕНТАЛЬНОЕ СТРОЕНИЕ МАТЕРИИ Методическое пособие по курсу «Концепции современного естествознания» Под редакцией доц. Светличного А.И.

Москва 2003 2 УДК53 Л.Г. Любутина, В.Б. Нагаев. Физическая картина мира.

Фундаментальное строение материи. Методическое пособие. – М: РГУ нефти и газа им. И.М. Губкина, 2003.

Методическое пособие по дисциплине «Концепции современного естествознания» содержит разделы: введение в дисциплину; фундаментальное строение материи (раздел общей темы «Физическая картина мира»); вопросы по теме двух уровней сложности.

Для студентов экономического и юридического факультетов.

Пособие может быть использовано студентами всех направлений для изучения раздела «Физика элементарных частиц».

Рецензент: доцент А.И. Светличный © РОССИЙСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ НЕФТИ И ГАЗА им. И.М. ГУБКИНА, 2003 3 Содержание ПРЕДИСЛОВИЕ 4 ВВЕДЕНИЕ 5 1. Две культуры - два типа мышления. Естественнонаучная и гуманитарная культуры 5 2. Научное познание материального мира и естествознание 7 3. Язык науки 8 4. Роль моделей в процессе познания материального мира 10 ФИЗИЧЕСКАЯ КАРТИНА МИРА ФУНДАМЕНТАЛЬНОЕ СТРОЕНИЕ МАТЕРИИ 12 1. Пространственная и временная шкалы в природе 12 2. Иерархия объектов в природе 13 3. Разделы физики 14 4. Квантовая лестница природы 15 5. Атомно-молекулярное строение вещества 18 6. Строение атома 19 7. Строение атомного ядра 20 8. Нейтрино. Частицы и античастицы 21 9. Проблема элементарных частиц 23 10.Основные характеристики элементарных частиц 24 11.Фундаментальные элементарные фермионы 26 11.1.Лептоны 26 11.2.Кварки 27 12.Фундаментальные взаимодействия 30 12.1.Роль фундаментальных взаимодействий в природе 30 12.2.Характеристики фундаментальных взаимодействий 12.3. Стандартная модель взаимодействий* 12.4 Диаграммы Фейнмана* 13.Вакуум* 14.Объединение взаимодействий* ЗАКЛЮЧЕНИЕ ВОПРОСЫ ЛИТЕРАТУРА Предисловие Данное пособие предназначено, в первую очередь, для студентов экономического и юридического факультетов, которым читается курс «Концепции современного естествознания». Пособие может быть также рекомендовано студентам всех специальностей для изучения раздела «Физика элементарных частиц».

Дисциплина «Концепции современного естествознания» (КСЕ) включена практически во все государственные стандарты высшего профессионального образования для гуманитарных и социально-экономических направлений.

Ключевая задача курса - дать представление о современной естественнонаучной картине мира, фундаментом которого является физическая картина мира (включающая классическую и квантоворелятивистскую научные картины мира, физику макросистем, эволюционносинергетические представления о Вселенной).

В основе физической картины мира лежат современные представления о фундаментальном строении материи. Именно этой проблеме и посвящено данное методическое пособие. Во введении рассматриваются традиционные для курса КСЕ вопросы: естественнонаучный метод, гуманитарная и естественнонаучная культуры, роль моделей в процессе познания материального мира и др. При изложении современных представлений о фундаментальном строении материи мы старались осветить самые последние достижения науки, делая акцент на современное состояние проблемы. При этом предпринята попытка дифференцировать материал по степени ( сложности, выделяя (обычно, звездочкой *)) разделы, требующие более глубокого изучения. В конце пособия приведены вопросы по теме, которые также разделены на два уровня. Вопросы второго уровня предназначены для студентов, готовых к более углубленному освоению материала.

В заключение хотелось бы ответить на часто задаваемый вопрос: «зачем физика и, вообще, наука гуманитариям» Фундаментальные идеи современного естествознания представляют огромную общекультурную ценность. Однако, курс КСЕ важен не только для повышения общей культуры студентагуманитария. В нашу сложную эпоху становления новой информационной цивилизации, делающей неизбежным процесс адаптации к новым экономическим условиям, выработка научного мировоззрения, которое базируется на естественнонаучном кругозоре, становится особенно актуальной. Фундаментальное образование, развивает ум, помогает отличать знание от домыслов и обмана и противостоять псевдонаучным представлениям, без чего невозможно принятие ответственных решений. Это относится, в первую очередь, к тем, кто собирается стать управленцами, экономистами или юристами, ведь от их компетентности зависит будущее страны и мира.

ВВЕДЕНИЕ 1. Две культуры - два типа мышления.

Естественнонаучная и гуманитарная культуры В современной цивилизации разделение культуры на научнотехническую и гуманитарную достигло своего крайнего выражения.1 В давнем споре «физиков» и «лириков» то одни, то другие оказываются «в почете» или «в загоне», но победителей в этом противостоянии нет и быть не может, т.к.

настоящая культура едина. Отсутствие эстетического воспитания делает человека ущербным, но не менее важно и развитие естественнонаучного мышления, без которого нет полноценного умственного развития. Человек, не имеющий элементарных представлений об окружающем мире, вызывает такое же сожаление, как тот, кто не знаком с великим культурным наследием Древней Греции или не читал Пушкина, Шекспира, Достоевского.

Такое разделение существовало не всегда. Известно, например, что непременным условием для посвящения в ученики Пифагора было требование показать основательные знания в астрономии, геометрии и музыке. Однако дальнейшее накопление и развитие знаний шло по пути их дифференциации и специализации. В результате произошел разрыв не только между наукой и гуманитарной культурой, но и между различными областями внутри науки:



специалист по твердому телу с трудом понимает ядерщика, а электрохимик органика. По образному выражению Фейнмана, «каждый молится в своей часовне на своем языке».

Справедливости ради, необходимо сказать, что ученые, как правило, являются прилично образованными людьми, разбирающимися и в поэзии, и в музыке, и в живописи. Эйнштейн прекрасно играл на скрипке, Планк был неплохим пианистом. Первые выставки запрещенных ранее у нас «абстракционистов» устраивались в институте физических проблем, а на музыкальных средах в ФИАНе выступали со своими новыми произведениями Шнитке и Губайдуллина, играли Спиваков и Башмет. И это в то время, когда среди представителей художественно-гуманитарной элиты пугающе распространено научное невежество, граничащее с презрением к науке.

Исторически сложившееся отчуждение между гуманитарным и естественнонаучным знанием в какой-то степени связано с различием в типах мышления. Научное знание есть продукт рационального мышления, в то время как в искусстве отражается образное эмоциональное восприятие мира. Поэзия дает «образ мира, в слове явленный» (Б.Пастернак), музыка – в звуке, живопись - в цвете. Образы естествознания (его модели) не всегда наглядны, но они расширяют наш мир за границы видимого.

Историк и писатель Чарльз Сноу написал книгу «Две культуры», в которой поднял проблему о противостоянии в современном технологическом обществе научно-технической и художественногуманитарной культуры.

Отметим, что существует вполне объективная (материальная) причина различного восприятия и осознания новой информации – это межполушарная асимметрия головного мозга (различные функции левого и правого полушарий). Однако бытовавшее ранее представление о том, что «левополушарное мышление» так называемых «технарей» ответственно за сухое абстрактное мышление, а «правополушарное мышление» гуманитариев обуславливает возникновение образов и эмоциональные реакции, оказалось слишком схематичным.

Было установлено, что межполушарная асимметрия мозга проявляет себя в значительно более тонких сферах, чем только рациональный и эмоциональный планы восприятия действительности и оперирование словами и образами (У.Перри, Нобелевская премия в области физиологии 1982 г.).

Правильнее говорить о двух тенденциях в психологическом восприятии окружающего мира. Правополушарная тенденция – интегрирующая, синтетическая – создает образ природы в целом, но при этом он недостаточно строг и подробен. Левополушарная тенденция – дифференцирующая, аналитическая, она позволяет получать детальную, но более прямолинейную и жестко детерминированную картину действительности. Важно, что оба полушария мозга действуют не раздельно, а как единая система, дополняя друг друга (исключения относятся к клиническим случаям, т.е. к патологии). Именно благодаря гармонии обеих тенденций, становится возможным адекватное познание окружающего мира.

Введение двух циклов: естественнонаучного цикла для гуманитарных специальностей и гуманитарного цикла в технических вузах – это первая робкая попытка сбалансировать образование. Однако устранение разрыва между наукой и гуманитарной культурой пока остается мечтой.

Эта мечта о единении и гармонии духовного мира человека нашла свое великолепное воплощение в образе «игры в бисер» в одноименном романе Германа Гессе. «В основе всякого движения духа к идеальной цели universitas litterarum (совокупность наук), всякой платоновской академии, всякого общения духовной элиты, всякой попытки сближения точных и гуманитарных наук, всякой попытки примирения между искусством и наукой или между наукой и религией лежала все та же вечная идея, которая воплотилась в игре в бисер... Игра в бисер – это игра со всем содержанием и всеми ценностями культуры, которыми Мастер Игры играет как органист на органе, охватывая весь духовный космос, все духовное содержание мира».

2. Научное познание материального мира и естествознание Научное познание – центральная часть современной культуры и цивилизации. Естествознание – это совокупность наук о природе.

Естественнонаучные дисциплины, в отличие от гуманитарных, занимаются изучением объектов природы и явлений, не являющихся продуктом деятельности человека или человечества. Дифференциация наук по предметам изучения возникла сравнительно недавно. В древности существовала единая наука о природе. Она называлась натуральная философия (от лат. natura – природа).

Теперешнее деление естественнонаучных знаний на отдельные дисциплины в основном соответствует различным по сложности уровням организации материи: астрономия изучает объекты космического уровня, геология – строение Земли, биология – жизнь (так называемую живую материю), химия – явления химического уровня т.д.

Физика имеет дело с самым фундаментальным уровнем организации материального мира, с самыми глубинными свойствами косной материи.

«Физика является царицей среди наук не столько по своему месту и развитию, сколько по своему участию во всех естественных дисциплинах в качестве основной материи науки» (Павел Флоренский).

Естественные науки различных уровней не обособлены друг от друга.

Специалисты, работающие на своем уровне, опираются на знания смежных дисциплин. Успешно развиваются такие науки, как биофизика, биохимия, астрофизика, химическая физика, физическая химия и т.д. Каждая из наук, как правило, строит свое собственное изображение природы в виде физической, химической, биологической и др. частных картин мира.





Основной принцип естествознания – знания о природе должны допускать эмпирическую проверку. Именно поэтому математика не включена в структуру естествознания.

У каждой науки есть свой собственный предмет изучения, свой метод исследования, свой язык. Но общим для всех естественных наук является научный метод, суть которого можно кратко сформулировать в виде триады:

наблюдение размышление опыт Результаты, полученные из наблюдений (эмпирический материал), требуют тщательного анализа, систематизации и объяснения. Создается теория, которая должна не только согласовываться с известными данными, но и правильно предсказывать результаты новых экспериментов. Эксперимент – это тот вопрос, который мы задаем природе и ждем от нее ответа. При этом, по словам Эйнштейна, природа отвечает «нет» на большинство задаваемых ей вопросов и лишь изредка от нее можно услышать более обнадеживающее «может быть». Таким образом, все начинается и кончается опытом. Пробный камень всех наших знаний – это опыт. И опыт же является единственным судьей научной истины. Появление новых данных, противоречащих теории, обычно требует создания новых более совершенных теорий. Однако это не означает, что старая теория полностью отвергается.

В науке существует преемственность, которая нашла свое отражение в так называемом принципе соответствия, сформулированном Нильсом Бором:

«Любая новая теория, претендующая на более глубокое описание физической реальности и на более широкую область применимости, чем старая, должна включать последнюю как предельный случай». Так, релятивистская механика переходит в механику Ньютона, в пределе малых скоростей (v c) а квантовомеханическое описание физических объектов переходит в классическое при h0 (о постоянной Планка см. ниже).

3. Язык науки Все науки суть описания действительности, то есть язык (une sience n’est q’une langue bien baite-фр.). Понимание языка требует знание его словарного запаса (основные понятия и определения) и основ грамматики (законы).

В качестве иллюстрации можно привести несколько примеров.

1. Квантовые осцилляции магнитной восприимчивости полуметаллов (тема диссертации по физике твердого тела) 2. Аллельные гены лежат на идентичных локусах гомологичных хромосом (из учебника по биологии) 3. Алкилирование бензола пропиленом (тема исследования по химии) 4. Динамическая стадия этногенеза - это антропогенная сукцессия в плане зоогеографии (из книги Л.Н.Гумилева «Этносфера») 5. Применение синергетической парадигмы в области эпистемологии позволяет разрешить старую для гештальтпсихологии проблему спонтанного формирования порядка в когнитивных системах (из доклада на семинаре по синергетике) 6. Феномен синестезии трактуется как систематическое соответствие между стимулами, принадлежащими к различным сенсорным модальностям (учебник по социолингвистике) 7. Глокая куздра штеко бодлонула бокра и куздрачит куздрёнка (знаменитый лингвистический пример К.Щербы) 8. Sciencia est potencia. /Crede experto. /Super omnia veritas. / Scio me nihil scire (из словаря латинских выражений) Тому, кто не знаком с конкретными дисциплинами, смысл высказываний №№16 понятен не более чем латинские выражения №8 (Знания - сила. /Верь опытному. /Правда, прежде всего. /Я знаю, что ничего не знаю).

Математика как универсальный язык природы Как любая наука, математика – это язык, но не просто другой язык, а язык плюс рассуждения, то есть язык и логика вместе. Математика – орудие размышления, определяющая саму структуру размышления (но не его смысл).

Опыт развития современного естествознания показывает, что на определенном этапе неизбежно происходит математизация естественнонаучных дисциплин, что приводит к и их дальнейшему ускоренному развитию. Еще Кант писал, что «во всяком учении о природе подлинной науки заключается ровно столько, сколько имеется в ней математики».

«Книга Природы написана языком математики» (Галилей). Величайшим открытием было осознание того, что законы Природы можно записать с помощью математического кода. Разгадав код, соответствующий той или иной физической системе, можно читать Природу как раскрытую книгу. «Великий Архитектор, по-видимому, был математиком... И если вы хотите узнать Природу, оценить ее красоту, то нужно понимать язык, на котором она разговаривает» (Р.Фейнман).

К великому сожалению, поэзия математики и музыка Природы скрыты от большинства людей.

Законы природы, по Пуанкаре, – наилучшее выражение гармонии мира.

Согласно утверждению ряда методологов науки, в явлениях природы есть формы и ритмы, недоступные глазу созерцателя, но открытые глазу аналитика.

Эти формы и ритмы мы называем физическими законами. Законы природы – это любой вид организованности идеальных прообразов вещей. Можно выделить три вида организованности: 1) числовые соотношения; 2) ритмика первого порядка (наиболее полно представляемая математической теорией групп); 3) самый сложный вид высшей организованности – ритмика второго порядка, выражаемая «словом». Два первых вида организованности наполняет Вселенную мерой и гармонией, третий – смыслом.

Любопытно отметить, что в знаменитой библейской фразе «Вначале было слово» (Евангелие от Иоанна) в первоисточнике употребляется не «слово», а « »,. перевод которого с древнегреческого включает три базовых группы значений: 1) слово (сказанное), договор; 2) число, соотношение, соразмерность;

Pages:     || 2 | 3 | 4 | 5 |   ...   | 7 |










© 2011 www.dissers.ru - «Бесплатная электронная библиотека»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.