Пространство и время в микро макро и мегамире кратко

Микро, Макро, Мега миры

Противопоставление макромира и микрокосмоса восходит к древнейшим натурфилософским концепциям макрокосмоса и микрокосмоса. Современные представления о макромире и микромире сложились в ходе становления квантовой теории и ее осмысления: объекты исследования доквантовой физики составляют макромир, а объекты, на базе которых разрабатывается квантовая теория, составляют микромир. Квантовая теория создавалась как теория структуры и свойств атома и процессов атомного масштаба; ныне же она лежит в основе физики элементарных частиц. С точки зрения представлений классической физики, законы квантовой теории оказались весьма странными и парадоксальными, что и определило становление концепции об особом своеобразном физическом мире. Высказывается мнение, что квантовая теория представляет такой «плод человеческой мысли, который более всякого другого научного достижения углубил и расширил наше понимание мира» (Вайскопф В. Физика в двадцатом столетии. М., 1977, с. 34). Важнейшими особенностями квантовых представлений, позволяющими говорить об особом мире физических явлений, являются корпускулярно-волновой дуализм, принципиально вероятностный характер процессов микромира и относительность свойств микрообъекта, фиксируемых на макроуровне.

Исторически проникновение науки в область микропроцессов приводило к разработке научных теорий большой степени общности. Проникновение в структуру вещества привело к разработке классической статистической физики, а анализ глубинных структур наследственности – к созданию генной теории. Познание атома породило квантовую теорию – наиболее фундаментальную в современной физике. «Микрофизика вчера, сегодня и, нужно думать, завтра, – как отметил отечественный физик В.Гинзбург, – была, есть и будет передним краем физики и всего естествознания» (Гинзбург В. О перспективах развития физики и астрофизики в конце 20 в. – Физика 20 в. Развитие и перспективы. М., 1984, с. 299). Представления о макромире и микромире взаимодополняют и взаимообусловливают друг друга. Знание свойств и законов микромира позволяет раскрыть свойства и структуры объектов макромира, а знание макромира позволяет раскрыть богатство внутренних возможностей объектов микромира.

Развитие физики микромира преобразует и основные формы теоретического выражения знаний. В частности, при переходе от классической физики к физике микромира произошли изменения в нашем понимании элементарного – переход от представлений о бесструктурных атомах (материальных точек) к представлениям об элементарных событиях как о некоторых далее неразложимых (бесструктурных) актах взаимодействия. И теория относительности, и особенно квантовая теория в своих построениях исходят из понятия события, представляющего собою бесструктурный элементарный объект.

Как сказал отечественный физик А.Д.Александров, имея в виду структуру теории относительности: «Простейший элемент мира – это то, что называется событием. Оно представляет собою «точечное» явление вроде мгновенной вспышки точечной лампы или, пользуясь наглядными представлениями о пространстве и времени, явление, протяжением которого в пространстве и во времени можно пренебречь. Словом, событие аналогично точке в геометрии, и, подражая определению точки, данному Эвклидом, можно сказать, что событие – это явление, часть которого есть ничто, оно есть «атомарное» явление. Всякое явление, всякий процесс представляется как некоторая связная совокупность событий. С этой точки зрения весь мир рассматривается как множество событий» (Александров А.Д. О философском содержании теории относительности. – Эйнштейн и философские проблемы физики 20 в. М., 1979, с. 113). Анализу перехода от языка объектов к языку событий в ходе становления современной физики принципиальное значение придавал Б.Рассел (см.: Рассел Б. Человеческое познание. М., 1957. с. 358 и 497). Можно, т.о., утверждать, что мир макрофизики есть мир, построенный из объектов, а мир микрофизики есть мир, образованный из событий.

В современной физике проблема элементарной сущности (как далее неразложимого, бесструктурного элемента) во многом остается открытой. Можно предположить, что при дальнейшем проникновении науки на глубинные уровни строения материи вопрос о простейшем, бесструктурном элементе изменит свой смысл. Исходные явления физического мира с самого начала следует рассматривать как нечто сложное, т.е. системным образом; при этом само понятие системы выступает как первичное, фундаментальное. Тем самым изменится и характер теоретических построений в фундаментальных областях физики.

Ю.В.Сачков

Микромир

Мир частиц, из которых состоит вещество, называют микромиром.

Это слово происходит от греческого «микрос» — малый. В 17-м веке изобрели микроскоп — прибор для рассматривания очень малых предметов. И сразу выяснилось, что в «малом» ученых ждут не менее удивительные открытия, чем в «великом».

В начале 19-го века английский ботаник Роберт Броун увидел в микроскоп, что взвешенные в воде мелкие частицы цветочной пыльцы пребывают в «вечном танце». Как установили со временем ученые, это непрерывное движение частиц пыльцы обусловлено беспрестанными ударами молекул. Открытие Броуна позволило впервые заглянуть в мир частиц, размеры которых составляют миллионные доли миллиметра!

Как выяснилось со временем, молекулы состоят из еще более мелких частиц — атомов, а атомы, в свою очередь, u состоят из еще более мелких частиц! И это захватывающее путешествие в глубины вещества еще не закончено… На рис. 4.5 изображена модель молекулы воды, состоящей из трех атомов. А на рис. 4.6 вы видите модель строения атома: вокруг положительно заряженного атомного ядра движутся отрицательно заряженные легчайшие частицы — электроны. Атомное ядро тоже является составным: оно состоит из частиц, между которыми действуют огромные силы притяжения. О молекулах и атомах мы расскажем в Главе 2 «Строение вещества».

Структурные уровни материи

Характеристикой материи является ее структурная бесконечность. Проявлениями данного свойства материи являются:

Принцип Неисчерпаемости объектов и процессов микромира
Принцип Бесконечности времени и пространства
Принцип Бесконечности изменений и развития процессов.

В современной науке структурированность материи стала научно обоснованной концепцией системной организации материи. Для выделения структурных уровней существуют следующие характеристики:

Пространственно-временные масштабы
Совокупность важнейших свойств и законов изменения
Степень относительной сложности, возникшей в процессе исторического развития материи.
Объективную действительность составляют три основные сферы- неорганическая природа, органическая природа, общество.

Рассматривая неорганический тип материи можно выделить следующие структурные уровни:

Мегамир
Макромир
Микромир

Материальность мира и его единство

Окружающий нас мир представляет собой обладающую неисчерпаемым множеством свойств материю, существующую в многообразных, взаимосвязанных и взаимопревращающихся формах. В едином материальном мире можно выделить три основные структурные области, различающиеся между собой по пространственной протяженности их физических объектов и процессов, преимущественным типам фундаментальных взаимодействий, основным образующим их структурным элементам материи и по характеру их основных физических закономерностей. Это микромир, макромир и мегамир.

Микромир

Пространственная протяжённость порядка м; основные типы взаимодействия -электромагнитное, сильное (ядерное), слабое; основные структурные уровни материи — молекулы, атомы, ядра атомов, элементарные частицы; описывается законами квантовой механики и теории относительности.

В диапазоне расстояний м свойства микромира изучает молекулярная и атомная физика; явления на расстояниях изучают ядерная физика и физика частиц низких энергий; физика высоких энергий изучает явления на расстояниях м.

Макромир

Пространственная протяжённость порядка м; основные виды взаимодействия – электромагнитное, гравитационное; основные структурные уровни материи – макротела, макрополя, космические объекты (планеты солнечной системы и их спутники); при малых скоростях описывается законами классической механики и при больших скоростях – законами теории относительности.

На уровне макромира выделяют два основных вида материи – вещество и поле. Электромагнитное и гравитационное поля в отличие от вещества не имеют массы покоя и могут распространяться лишь с одной определённой скоростью – скоростью света. Структурными элементами вещества и поля являются элементарные частицы, основной чертой которых является их взаимопревращаемость. Общей чертой всех объектов макромира является корпускулярно-волновой дуализм, единство прерывности и непрерывности (двойственная природа света, волновые свойства частиц и т.д.).

Краткая характеристика структурных уровней материи

Мегамир – это бесконечный мир космоса, сюда входят планеты, звездные комплексы, галактики, метагалактики. Это мир огромных масштабов и скоростей. Расстояние в мегамире измеряется астрономическими единицами, световыми годами, парсеками. Время жизни космических объектов исчисляется миллионами и миллиардами лет.

Макромир – это мир устойчивых форм величин, соразмерных человеку. Сюда относятся организмы, сообщества организмов, кристаллические комплексы молекул и т.д. пространственные величины объектов макромира измеряются в миллиметрах, сантиметрах, километрах; время измеряется в секундах, минутах, часах, годах.

На каждом из структурных уровней материи действуют собственные проявления пространственно-временных отношений, различные виды движений. Микромир определяется законами квантовой механики. Макромир описывается законами классической механики. Теория относительности и теория релятивистской космологии действуют в Мегамире.

Готовые работы на аналогичную тему

Типы связей для разных уровней материи отличаются. В масштабах $10^$ существуют сильные взаимодействия, а целостность ядра обеспечивается ядерными силами. За целостность атомов, молекул, макротел отвечают электромагнитные силы. В масштабах космоса действуют гравитационные силы.

Подробнее всего наукой изучался макромир. Результатом долгого и подробного изучения макромира стала классическая наука Нового времени. Она занималась исследованием объектов и процессов, которые человек наблюдал невооруженным взглядом. В результате таких наблюдений появилась механика, оптика, электродинамика, классическая термодинамика.

Исследования макромира начались в конце 19 века, после открытия Дж. Томсоном первой элементарной частицы – электрона и выдвижения М. Планком идеи кванта – мельчайшей неделимой порции энергии, в которой может происходить излучение и поглощение энергии. Свойства элементарных частиц, которые казались необъяснимыми и ошеломляли ученых в скором времени удалось объяснить. Это случилось в рамках квантовой механики и квантовой электродинамики, которые стали первыми квантовыми теориями. Несмотря на множество открытий, сделанных учеными в этой области, все еще существует множество до сих пор необъясненных фактов и неизученных явлений. Исследование этих явлений и их изучение является задачей современной науки, и возможно, останется задачей постнеклассической науки.

Исследование мегамира началось с появлением астрономии. Астрономия является одной из первых естественных наук. Однако, преобладающую часть своей истории астрономия являлась описательной наукой. Концепции, носящие обоснованный характер, появились лишь к началу 20 века. Такими концепциями являются космология и космогония.

Космология – это физическое учение о строении и эволюции Вселенной, как единого целого.

Космогония – это раздел астрономии, который занимается исследованием происхождения и эволюции небесных тел, планет, звезд и других тел планетной системы

Нужно отметить, что большая часть концепций и теорий космологии и космогонии оказались связаны c исследованиями микромира. Этим самым подтверждается идея всеобщей связи всех уровней структурной организации материи.

Краткая характеристика структурных уровней материи

Микромир – это мир элементарных частиц и атомов, здесь принцип «состоит из» неприменим. Это мир предельно малых микрообъектов, размеры которых в пространстве составляют от $10^-8$ до $10^{-16}$ см, а время жизни составляет от бесконечности до $10^{-24}$ секунды.

Типы связей для разных уровней материи отличаются. В масштабах $10^{-13}$ существуют сильные взаимодействия, а целостность ядра обеспечивается ядерными силами. За целостность атомов, молекул, макротел отвечают электромагнитные силы. В масштабах космоса действуют гравитационные силы.

Определение 1

Космология – это физическое учение о строении и эволюции Вселенной, как единого целого.

Структурные уровни организации материи (микро-, макро- и мегамир).

Поэтому если меняется со временем магнитное поле, то существует и переменное электрическое поле, которое в свою очередь ведет к изменению магнитного поля. В результате происходит постоянное изменение векторов напряженности электрического и магнитного полей, т.е. возникает переменное электромагнитное поле, которое уже не привязано к заряду, а отрывается от него, самостоятельно существуя и распространяясь в пространстве. Вычисленная им скорость распространения электромагнитного поля оказалась равна скорости света. А исходя из этого Максвелл смог заключить, что световые волны представляют собой электромагнитные волны. Единая сущность света и электричества, которую М. Фарадей предположил в 1845 г., а Дж.К. Максвелл теоретически обосновал в 1862 г., была экспериментально подтверждена немецким физиком Г. Герцомв 1888 г.

Страницы: следующая →

1234Смотреть все

Краткая характеристика структурных уровней материи

Готовые работы на аналогичную тему

Космология – это физическое учение о строении и эволюции Вселенной, как единого целого.

Микро, макро и мегамиры

световых лет); основные типы взаимодействия — тёмная энергия и гравитационное; основные структурные уровни материи — звёздные скопления и ассоциации, межзвёздная материя, галактики, метагалактики, чёрные дыры, тёмная материя, тёмная энергия; описывается законами общей теории относительности. Мегамир изучается космологией.

Согласно теории раздувающейся Вселенной, после Большого взрыва наступила фаза почти мгновенного раздувания, сопровождавшаяся расщеплением Правселенной на множество отдельных Вселенных, различающимися всеми фундаментальными константами, которые определяют свойства мира. Согласно квантовой космологии, изучающей физические явления сразу после Большого взрыва, и физики чёрных дыр, свойства микромира и мегамира взаимосвязаны законами физики элементарных частиц.

Физика чёрных дыр является междисциплинарным научным направлением, объединяющим концепции общей теории относительности, физики элементарных частиц, космологии, термодинамики.

Взаимодействия в мегамире

Однажды — это было в 1666 году — падение яблока заставило задуматься юного англичанина Исаака Ньютона: — Может, сила тяготения, действующая со стороны Земли на яблоко, имеет ту же физическую природу, что и сила, которая «заставляет» Луну двигаться вокруг Земли? А может, ту же самую природу имеют и силы, которые «удерживают» планеты на их орбитах вокруг Солнца? Это предположение, будь оно правильным, давало захватывающую возможность понять строение Вселенной! Чтобы проверить его, Ньютон создал даже новые разделы математики — дифференциальное и интегральное исчисления.

Расчеты подтвердили предположение ученого. Так был открыт закон всемирного тяготения. А «яблоко Ньютона» навсегда стало символом гениальной догадки.

Силы всемирного тяготения — важнейшие силы в мегамире. Они «управляют» движением планет, звезд и даже галактик, а также «зажигают» звезды, сжимая огромные массы вещества. При этом температура внутри повышается до десятков миллионов градусов, когда «вступают в игру» ядерные силы, о которых мы расскажем далее.

В начале 20-го века Альберт Эйнштейн предположил, что силы тяготения — проявление искривления пространства вблизи массивных тел. Теория Эйнштейна получила название «общей теорией относительности». Ее следствия были подтверждены астрономическими наблюдениями. Исходя из этой теории, физик Джордж Гамов, родившийся в Украине, смог разгадать загадку происхождения Вселенной (см. § 7. Выдающиеся ученые — наши соотечественники)

Пространство и время

Пространство и время — это не самостоятельные субстанции, а лишь формы существования материи и неотделимы от неё. Пространство и время имеют ряд свойств (однородность пространства и времени, изотропность пространства, необратимость времени и т.д.). Пространственно-временные характеристики относительны и определяются движением материи, что вытекает из специальной теории относительности (преобразования Лоренца). Пространство и время связаны друг с другом (инвариантность интервала СТО), образуя единую форму существования материи. Свойства пространства и времени определяются материей (влияние поля тяготения на геометрию пространства и ритм времени, определяемое уравнениями Эйнштейна ОТО).

Мегамир

Мир космических тел называют мегамиром.

Это слово происходит от греческого слова «мега» — огромный. Первый шаг в изучении мегамира сделал также Галилей. С помощью созданного им телескопа он открыл, что у Юпитера, самой большой планеты Солнечной системы, есть спутники. А в середине 17-го века голландский ученый Христиан Гюйгенс, также с помощью телескопа, открыл, что у второй по величине планеты, Сатурна, есть замечательное «украшение» в виде гигантского кольца. На рис. 4.1 приведены сделанные с помощью телескопа фотографии Юпитера и Сатурна (рядом с ними в том же масштабе изображена Земля). Галилей открыл также, что Млечный Путь является колоссальным звездным скоплением.

На рис. 4.2 показан Млечный Путь, каким он виден невооруженным глазом, а на рис. 4.3 — малая часть Млечного Пути, видимая в телескоп. Со времен Галилея телескопы значительно усовершенствовали, благодаря чему астрономы открыли множество огромных звездных систем, каждая из которых состоит из сотен миллиардов звезд! Такие звездные системы назвали галактиками. Одна из них показана на рис. 4.4. Млечный Путь тоже является галактикой.

Взаимодействия в микромире

Вещество не распадается на отдельные частицы благодаря электрическому взаимодействию: притяжение разноименных зарядов удерживает электроны вблизи атомных ядер, соединяет атомы в молекулы, а молекулы — в вещество.

Чтобы вы смогли представить «могущество» этих сил, приведем пример. Если бы из одной столовой ложки воды можно было «перенести» в другую столовую ложку воды только одну миллионную долю электронов, то эти две ложки воды, находясь на расстоянии одного метра, притягивались бы с силой, равной примерно весу груженого товарного состава длиной от Киева до Харькова! Вот какие колоссальные силы скрыты под гладью воды в одной столовой ложке.

Но даже эти силы очень малы по сравнению с ядерными силами, удерживающими вместе частицы, из которых состоит атомное ядро. Ядерные силы больше электрических примерно в сто раз! Именно действие ядерных сил поддерживает «горение» звезд, в частности и нашего Солнца. Как свидетельствуют наблюдения и расчеты, Солнце светит уже около пяти миллиардов лет. И будет светить еще по крайней мере столько же! В курсе физики старших классов вы узнаете, как ученые «заставили» работать ядерные силы и на Земле.

Рекомендую подробно изучить предметы:

Физика
Атомная физика
Ядерная физика
Квантовая физика
Молекулярная физика

Ещё лекции с примерами решения и объяснением:

Пространство и время
Что изучает механика в физике
Механическое движение
Движение и взаимодействие
Физические величины и их единицы измерения
Точность измерений и погрешности
Определение площади и объема
Связь физики с другими науками

Взаимодействия в макромире

Силы упругости

Наблюдения показывают, что при непосредственном контакте твердые тела как бы «упираются» друг в друга: поэтому, например, мы не проваливаемся «сквозь землю». Когда тела давят друг на друга, между ними действуют силы упругости. Они обусловлены деформацией тел, то есть изменением их формы. И хотя часто на глаз мы не замечаем деформации тела, ее можно измерить приборами. Иногда же телу намеренно придают такую форму, чтобы его деформация была хорошо заметной, — именно такую форму, например, имеют пружины. Сила упругости — проявление сил электрического взаимодействия между частицами вещества. Об этих силах вы узнаете далее.

Силы трения

Делая шаг, вы отталкиваетесь от Земли с некоторой силой (рис. 4.7). Земля же при этом толкает вас вперед с силой . Обе эти силы являются силами трения. Сила трения разгоняет также автомобили и мотоциклы благодаря тому, что их колеса отталкиваются от дороги (рис. 4.8). Тормозят автомобили тоже благодаря силам трения: тормозные колодки прижимаются к ободам колес и останавливают их вращение.

Силы трения действуют между соприкасающимися телами, движущимися друг относительно друга, а также когда одно тело пытаются сдвинуть относительно другого. Эти силы всегда препятствуют движению одного тела относительно другого.

Силы трения играют огромную роль в макромире, хотя мы их часто не замечаем: так, благодаря им ткани не распадаются на нити, а нити — на волокна. Силы трения, как и силы упругости, — проявление сил электрического взаимодействия между частицами вещества.

Электрические и магнитные силы

ПОСТАВИМ ОПЫТЫ:

Выясним на опыте, могут ли тела взаимодействовать, не касаясь друг друга, то есть на расстоянии.

Расчешите сухие волосы пластмассовой расческой, и она станет притягивать кусочки бумаги (рис. 4.9).

Поднесите магнит к скрепкам или шурупам. Вы увидите, что магнит притягивает эти предметы (рис. 4.10).

В первом опыте действовали электрические силы, а во втором — магнитные. Электрические силы действуют между электрически заряженными телами и частицами. Приобретать электрический заряд тела могут, например, благодаря трению: при этом некоторое количество электронов переходит с одного тела на другое. Тело, потерявшее электроны, приобретает положительный заряд, а тело, на которое перешли электроны, — отрицательный. Заряженное тело, как мы видели, притягивает и незаряженные тела, поскольку в них происходит перераспределение электрических зарядов.

Магнитные силы действуют, например, между постоянными магнитами. У любого магнита есть северный и южный полюсы, названные так потому, что северный полюс свободно подвешенного магнита указывает на север, а южный — на юг. Одноименные (северный-северный или южный-южный) полюсы магнита отталкиваются, а разноименные (северный и южный) — притягиваются. Как мы видели, магнитные силы обнаруживают себя и в притяжении постоянными магнитами железных и стальных предметов. Законы электрических сил установил на опыте французский ученый Шарль Огюстен Кулон в 18-м веке. А в 19-м веке датский ученый Ханс Кристиан Эрстед и французский ученый Андре Мари Ампер обнаружили, что вблизи проводника с током магнитная стрелка поворачивается, а катушка с током притягивает железные и стальные предметы подобно постоянному магниту. Опираясь на эти и свои собственные опыты, английский ученый Майкл Фарадей предположил, что электрическое и магнитное взаимодействия являются проявлениями единого электромагнитного взаимодействия, а его соотечественник Клерк Джеймс Максвелл создал теорию электромагнитных взаимодействий.

Заказать решение задач по физике

Пространство и время в микро макро и мегамире кратко

Микро, Макро, Мега миры

Микромир

Структурные уровни материи