ЗАКОНЫ СОХРАНЕНИЯ

<

112014 2018 1 ЗАКОНЫ СОХРАНЕНИЯЗаконы сохранения — фундаментальные физические законы, согласно которым при определенных условиях некоторые физические величины не изменяются с течением времени.

Законы сохранения занимают среди всех законов природы особое место. Общность и универсальность законов сохранения определяют их большое научное, методологическое и философское значение. Они являются основой важнейших расчетов физике и ее технических приложениях, позволяют в ряде случаев предсказывать эффекты и явления при исследовании разнообразных физико-химических систем и процессов.

Законы сохранения служат основанием любой общей физической теории.

В законах сохранения находят свое отображение важнейший диалектико-материалистический принцип неуничтожимости материи и движения, взаимосвязь между различными формами движущейся материи и специфика превращения одной формы движения в другую.

Значение законов сохранения выявляется на фоне развития общей идеи сохранения. Открытие и обобщение законов сохранения происходило вместе с развитием всей физики, от первых теорий античных философов через классическую механику и электродинамику до теории относительности, квантовой механики и физики элементарных частиц.

Закон сохранения импульса. Из законов Ньютона можно показать, что при движении в пустом пространстве импульс сохраняется во времени, а при наличии взаимодействия скорость его изменения определяется суммой приложенных сил. В классической механике закон сохранения импульса обычно выводится как следствие законов Ньютона. Однако, этот закон сохранения верен и в случаях, когда Ньютоновская механика неприменима (релятивистская физика, квантовая механика).

Каждой материальной точке с массой m, движущейся со скоростью V, приписывается векторная характеристика — импульс, определяемый как произведение Массы на скорость:

112014 2018 2 ЗАКОНЫ СОХРАНЕНИЯ.

Из законов Ньютона можно показать, что при движении в пустом пространстве импульс сохраняется во времени, а при наличии взаимодействия скорость его изменения определяется суммой приложенных сил:

112014 2018 3 ЗАКОНЫ СОХРАНЕНИЯ.

В случае системы материальных точек (совокупностью которых можно считать любое реальное тело) полный импульсопределяется как векторная сумма всех импульсов

112014 2018 4 ЗАКОНЫ СОХРАНЕНИЯ,

Скорость изменения полного импульса определяется суммой внешних сил, действующих на систему (т.е. только сил, описывающих взаимодействие элементов системы с не принадлежащими ей объектами):

112014 2018 5 ЗАКОНЫ СОХРАНЕНИЯ

Системы, на которые не действуют внешние силы, называются замкнутыми. В них полный импульс не изменяется во времени. Это свойство находит большое практическое применение, поскольку лежит в основе принципа реактивного движения

В настоящее время не существует каких-либо экспериментальных фактов, свидетельствующих о невыполнении закона сохранения импульса.

Закон сохранения момента импульса. Если понятие импульса в классической механике характеризует поступательное движение тел, момент импульса вводится для характеристики вращения и является следствием утверждения о том, что свойства окружающего мира не изменяются при поворотах (или повороте системы отсчета) в пространстве.

Если понятие импульса в классической механике характеризует поступательное движение тел, момент импульса вводится для характеристики вращения. В случае материальной точки, обладающей импульсом p, положение которой задается радиус-вектором R, ее момент импульса относительно начала координат равен

112014 2018 6 ЗАКОНЫ СОХРАНЕНИЯ

(знаком [,] обозначена операция векторного умножения, в результате которой получается вектор, направленный в соотвествии с правилом правой руки в направлении, перпендикулярном перемножаемым векторам, числено равный 112014 2018 7 ЗАКОНЫ СОХРАНЕНИЯ). Например, при движении тела по окружности вектор L направлен вдоль ее оси.

Скорость изменения момента импульса определяется моментом силы(произведением силы на «плечо»):

112014 2018 8 ЗАКОНЫ СОХРАНЕНИЯ.

Очевидно, что момент импульса сохраняется во времени в случае отсутствия сил или при условии действия сил в направлении R.

Закон сохранения момента импульса является следствием утверждения о том, что свойства окружающего мира не изменяются при поворотах (или повороте системы отсчета) в пространстве.

Момент импульса системы точечных тел L-определяется как сумма моментов каждой из точек и сохраняется во времени при условии равенства нулю момента внешних сил.

В случае неравенства нулю момента силы наблюдается весьма «необычное» с точки зрения «здравого смысла» поведение быстро вращающихся тел (их момент импульса направлен по оси вращения) с помещенной на острие осью вращения. Такие тела под действием внешних сил (например, силы тяжести) вместо того, чтобы перемещаться в сторону действия силы, начинают медленно вращаться вокруг острия в перпендикулярной приложенной силе плоскости.

Закон сохранения энергии Конкретное математическое выражение для потенциальной энергии определяется взаимодействиями между объектами. В большинстве механических систем механическая энергия (сумма кинетической и потенциальной) сохраняется во времени (например в случае мяча, упруго ударяющегося о пол). Однако нередки и такие системы, в которых механическая энергия изменяется (чаще всего убывает). Для описания этого были введены диссипативные силы (например силы вязкого и сухого трения и др.).

Закон сохранения энергии имеет большое практическое значение, поскольку существенно ограничивает число возможных каналов эволюции системы без ее детального анализа. Так на основании этого закона оказывается возможным априорно отвергнуть любой весьма проект весьма экономически привлекательного вечного двигателя первого рода (устройства, способного совершать работу, превосходящую необходимые для его функционирования затраты энергии).

112014 2018 9 ЗАКОНЫ СОХРАНЕНИЯ,

Закон сохранения заряда гласит, что алгебраическая сумма зарядов электрически замкнутой системы, сохраняется.

q1+q2+q3+…qn = const

Требование релятивистской инвариантности приводит к тому, что закон сохранения заряда имеет локальный характер: изменение заряда в любом наперёд заданном объёме равно потоку заряда через его границу.

Закон сохранения заряда в интегральной форме

Вспомним, что плотность потока электрического заряда есть просто плотность тока. Тот факт, что изменение заряда в объёме равно полному току через поверхность можно записать в математической форме:

112014 2018 10 ЗАКОНЫ СОХРАНЕНИЯ

<

здесь Ω — некоторая произвольная область в трёхмерном пространстве,

112014 2018 11 ЗАКОНЫ СОХРАНЕНИЯ— граница этой области,

ρ — плотность заряда,

112014 2018 12 ЗАКОНЫ СОХРАНЕНИЯплотность тока (плотность потока электрического заряда) через границу.

Закон сохранения заряда в дифференциальной форме

Переходя к бесконечно малому объёму и используя по мере необходимости теорему Стокса можно переписать закон сохранения заряда в локальной дифференциальной форме

112014 2018 13 ЗАКОНЫ СОХРАНЕНИЯ

ЗАКОН СОХРАНЕНИЯ ЧЕТНОСТИ.

 Чётность, квантовомеханическая характеристика состояния физической микрочастицы (молекулы, атома, атомного ядра, элементарной частицы), отображающая свойства симметрии этой микрочастицы относительно зеркальных отражений. В процессах, обусловленных сильными взаимодействиями и электромагнитными взаимодействиями, имеет место закон сохранения четности: физическая система, обладавшая в начальном состоянии зеркальной симметрией определённого типа, сохраняет эту симметрию во все последующие моменты времени. Сохранение четности приводит к ряду отбора правил в электромагнитном излучении атомов и атомных ядер, в ядерных реакциях и в реакциях взаимопревращений элементарных частиц.

Закон сохранения четности можно продемонстрировать на примере Зеемана эффекта. При наложении магнитного поля интенсивность излучения отдельных спектральных линий остаётся симметричной относительно плоскости, перпендикулярной полю, хотя и перестаёт быть одинаковой во всех направлениях. Излучение вдоль поля такое же, как и в противоположном направлении. Если представить себе установку для наблюдения эффекта Зеемана в виде кругового проводника с током и с образцом, помещенным в центре круга, то зеркальная симметрия этой установки становится очевидной, но лишь при условии, что все элементарные частицы, из которых состоит установка, обладают зеркальной симметрией. Таким образом, закон сохранения четности основывается на допущении, что электроны, протоны и другие частицы переходят в себя при зеркальном отражении.

Законом сохранения четности определяются трансформационные свойства физических величин при инверсии координатных осей. Так, из допущения о том, что заряженная частица, например электрон, при инверсии переходит сама в себя, следует, что электрический заряд q есть скаляр, плотность тока j и напряжённость электрического поля Е — истинные (полярные) векторы, а напряжённость магнитного поля Н — аксиальный вектор (псевдовектор): q ? q’, j ? -j’, Е ? -Е’, Н ? Н’.

Законы сохранения являются результатом обобщения экспериментальных наблюдений. Часть из них была открыта в результате того, что реакции или распады, разрешенные всеми ранее известными законами сохранения, не наблюдались или оказывались сильно подавленными. Так были открыты законы сохранения барионного, лептонных зарядов, странности, чарма и др.

Установлено, что каждый закон сохранения связан с какой-либо симметрией в окружающем нас мире (теорема Нетер). Так законы сохранения энергии и импульса связанны с однородностью времени и пространства. Закон сохранения момента количества движения связан с симметрией пространства относительно вращений. Законы сохранения зарядов связаны с симметрией физических законов относительно специальных преобразований, описывающих частицы.

Информация о том, какие величины сохраняются в различных взаимодействиях, приведена в таблице. Знак «+» («-») показывает, что данная величина сохраняется (не сохраняется). В аддитивных законах сохраняется сумма величин, в мультипликативных законах — произведение величин, которые могут быть равны +1 или -1.

В результате действия законов сохранения, протон и антипротон — стабильные частицы, т.к. являются самыми легкими частицами, имеющими барионные заряды B = 1 и B = -1 соответственно. Стабильными частицами являются также электрон и позитрон, т.к. это самые легкие частицы, имеющие электрический заряд Q = -1 и Q = 1 соответственно. Также являются стабильными частицами нейтрино и антинейтрино, т.к. это самые легкие носители лептонных зарядов Le, 112014 2018 14 ЗАКОНЫ СОХРАНЕНИЯ, 112014 2018 15 ЗАКОНЫ СОХРАНЕНИЯ.

 

 

2. ЯДЕРНЫЕ РЕАКЦИИ. СВЯЗЬ ЭНЕРГИИ И МАССЫ. ДЕФЕКТ МАСС

 

В 1932 г. английский физик Джеймс Чедвик открыл частицы с нулевым электрическим зарядом и единичной массой. Эти частицы назвали нейтронами. Обозначается нейтрон п. После открытия нейтрона физики Д. Д. Иваненко и В. Гейзенберг в 1932 г. выдвинули протонно-нейтронную модель атомного ядра. Согласно этой модели, ядро атома любого вещества состоит из протонов и нейтронов. (Общее название протонов и нейтронов — нуклоны.) Число протонов равно заряду ядра и совпадает с номером элемента в таблице Менделеева. Сумма числа протонов и нейтронов равна массовому числу. Например, ядро атома кислорода состоит из 8 протонов и 16 — 8 = 8 нейтронов. Ядро атома состоит из 92 протонов и 235 — 92 = 143 нейтронов.    

Химические вещества, занимающие одно и то же место в таблице Менделеева, но имеющие разную атомную массу, называются изотопами. Ядра изотопов отличаются числом нейтронов. Например, водород имеет три изотопа: протии — ядро состоит из одного протона, дейтерий — ядро состоит из одного протона и одного нейтрона, тритий — ядро состоит из одного протона и двух нейтронов.        

Если сравнить массы ядер с массами нуклонов, то окажется, что масса ядра тяжелых элементов больше суммы масс протонов и нейтронов в ядре, а для легких элементов масса ядра меньше суммы масс протонов и нейтронов в ядре. Следовательно, существует разность масс между массой ядра и суммой масс протонов и нейтронов, называемая дефектом массы

М = Мn — (Мp + Мn).

Так как между массой и энергией существует связь, то при делении тяжелых ядер и при синтезе легких ядер должна выделяться энергия, существующая из-за дефекта масс, и эта энергия называется энергией связи атомного ядра.

Выделение этой энергии может происходить при ядерных реакциях. Ядерная реакция — это процесс изменения заряда ядра и его массы, происходящий при взаимодействии ядра с другими ядрами или элементарными частицами. При протекании ядерных реакций выполняются законы сохранения электрических зарядов и массовых чисел: сумма зарядов (массовых чисел) ядер и частиц, вступающих в ядерную реакцию, равна сумме зарядов (массовых чисел) конечных продуктов (ядер и частиц) реакции.        

Цепная реакция деления — это ядерная реакция, в которой частицы, вызывающие реакцию, образуются как продукты этой реакции. Необходимым условием для развития цепной реакции деления является требование k > 1, где k — коэффициент размножения нейтронов, т. е. отношение числа нейтронов в данном поколении к их числу в предыдущем поколении. Способностью к цепной ядерной реакции обладает изотоп урана 235U. При наличии определенных критических параметров (критическая масса — 50 кг, шаровая форма радиусом 9 см) три нейтрона, выделившиеся при делении первого ядра, попадают в три соседних ядра и т. д. Процесс идет в виде цепной реакции, которая протекает за доли секунды в виде ядерного взрыва. Неуправляемая ядерная реакция применяется в атомных бомбах. Впервые решил задачу об управлении цепной реакцией деления ядер физик Энрико Ферми. Им был изобретен ядерный реактор в 1942 г. У нас в стране реактор был запущен в 1946 г. под руководством И. В. Курчатова.        

Термоядерные реакции — это реакции синтеза легких ядер, происходящие при высокой температуре (примерно 107 К и выше). Необходимые условия для синтеза ядер гелия из протонов имеются в недрах звезд. На Земле термоядерная реакция осуществлена только при экспериментальных взрывах, хотя ведутся международные исследования по управлению этой реакцией.         
        

 

 

 

 

 

3. ИСТОКИ РЕДУКЦИОНИЗМА И ХОЛИЗМА В НАУКЕ

 

Все исследования природы сегодня можно наглядно представить в виде большой сети, состоящей из ветвей и узлов. Эта сеть связывает многочисленные ответвления физических, химических и биологических наук, включая науки синтетические, возникшие на стыке основных направлений (биохимия, биофизика и др.).

Даже исследуя простейший организм, мы должны учитывать, что это и механический агрегат, и термодинамическая система, и химический реактор с разнонаправленными потоками масс, тепла, электрических импульсов; это, в то же время, и некая «электрическая машина», генерирующая и поглощающая электромагнитное излучение. И, в то же время, это  — ни то и ни другое, это – единое целое.

Современное естествознание характеризуется взаимопроникновением естественных наук друг в друга, но в нем есть и определенная упорядоченность, иерархичность

В середине 19-го века немецкий химик Кекуле составил иерархическую последовательность наук по степени возрастания их сложности (а точнее, по степени сложности объектов и явлений, которые они изучают).

112014 2018 16 ЗАКОНЫ СОХРАНЕНИЯkse1004 ЗАКОНЫ СОХРАНЕНИЯ

Такая иерархия естественных наук позволяла как бы «выводить» одну науку из другой. Так физику (правильнее было бы – часть физики, молекулярно-кинетическую теорию) называли механикой молекул, химию, физикой атомов, биологию – химией белков или белковых тел. Эта схема достаточно условна. Но она позволяет пояснить одну из проблем науки – проблему редукционизма.

Редукционизм (лат. reductio уменьшение) определяется как господство аналитического подхода, направляющего мышление на поиск простейших, далее неразложимых элементов. Редукционизм в науке – это стремление описать более сложные явления языком науки, описывающей менее сложные явления или класс явлений  (например, сведение биологии  к механике и т.п.). Разновидностью редукционизма является физикализм – попытка объяснения всего многообразия мира на языке физики.

Редукционизм неизбежен при анализе сложных объектов и явлений.  Однако здесь надо хорошо осознать следующее. Нельзя рассматривать жизнедеятельность организма, сводя все к физике или химии. Но важно знать, что законы физики и химии справедливы и должны выполняться и для биологических объектов. Нельзя рассматривать поведение человека в обществе только как биологического существа, на важно знать, что корни многих человеческих действий лежат в глубоком доисторическом прошлом и являются результатом работы генетических программ, унаследованных от животных предков.

В настоящее время достигнуто понимание необходимости целостного, холистического (англ. whole целый) взгляда на мир. Холизм или интегратизм можно рассматривать как противоположность редукционизма, как присущее современной науке стремление создать действительно обобщенное, интегрированное знание о природе.

Неудачи в плане понимания механизмов целесообразности мира есть результат особого стиля мышления, основу которого составляет рассудок. Под рассудком мы будем понимать ту составляющую человеческого аппарата познания, которая оперирует рассуждениями, построенными из особого рода мысленных объектов — стереотипов, абстракций и т.п., каждый из которых является результатом обобщения какого-то повторяющегося класса явлений внешнего мира, поэтому имеет статус аксиомы. Другими словами рассудок является типичной формально-логической системой, которая несет в себе ограниченность, отраженную в теореме Геделя.

Обладая определенной стереотипной базой, познающий субъект проецирует на нее любое изначально целостное явление природы, раскладывая его на составляющие, соответствующие отдельным стереотипам (абстракциям). Такой метод работы мыслительного аппарата человека называется анализом. Второй ступенью познания является синтез — из выделенных в процессе анализа абстракций человек синтезирует мысленные конструкции (модели), которые в основных аспектах подобны реальным целостным явлениям.

Любая модель повторяет лишь наиболее существенные стороны моделируемого явления и не учитывает второстепенных. Поэтому описанный алгоритм процесса познания несет в себе вероятность загрубления модели, что во многом разгружает мыслительный аппарат, позволяя добиться четкого понимания некоторых конкретных механизмов реальных явлений. В то же время в модели не находят отражение такие стороны явлений, которым в стереотипной базе человека не нашлось соответствующего аналога. Такая модель верно отражает только часть природы явления, что впоследствии может привести процесс познания в тупик, потому что через неучтенные стороны реальное явление органично связано со всем миром. Пренебрежение этими связями рождает иллюзию изолированности данного явления от своего окружения.

В результате в понимании человека формируется так называемая множественная картина мира, для которого характерно многообразие явлений, событий, объектов, которые кажутся обособленными друг от друга, обладающими собственными характеристиками (например размерами, массой, энергией и т.п.), определенным образом взаимодействующими с другими обособленными явлениями. В качестве вместилища этих объектов человек синтезирует образы пространства и времени.

Так был сформирован механистический стиль мышления, который успешно вскрывал формальную сторону фундаментальных законов природы, но не мог понять их сути. Принципы механистического подхода:

1) редукционизм — первопричины всех явлений лежат в поведении элементов, из которых построено явление; знание законов микромира определяет уровень наших знаний макроявлений;

2) экспериментальность — все можно измерить (дать количественную оценку), неизмеряемым сущностям нет места в науке;

3) повторяемость — научным считается только такой результат, который может быть повторен в других научных лабораториях;

4) антителеологичность — все, что кажется целенаправленным можно объяснить действием естественных «слепых» законов.

Благодаря механистическому подходу научные знания всегда славились своей точностью, однозначностью и непротиворечивостью. В этом сила науки. Но здесь же лежит и основная ее слабость. Отказ от противоречивости приводит к самообману, так как сама природа изначально противоречива.

Особенно явно механистический подход дал сбой, когда наука вплотную подошла к изучению так называемых «сложных систем», особенность которых в существенной взаимосвязи их свойств. Поэтому однофакторные эксперименты над ними не эффективны, а многофакторные не позволяют выявить простых законов, которым подчиняются сложные системы. Многие свойства сложных систем оказываются понятными только при рассмотрении системы как единого целого. С ростом сложности структуры системы растет количество факторов, определяющих ее поведение. Особенно наглядно это видно в случае биосистем (живых организмов). Если в плане понимания законов, управляемых «неживой материей» наука достигла определенных успехов, то понимание феномена жизни для нее похоже недостижимо без коренной перестройки самих ее основ.

В природе все взаимосвязано. Мир представляет собой нечто органичное, целостное и неделимое. В этом истоки холизма. Поэтому при изучении любого явления природы успех научного метода оказывается возможен только за счет мысленного разрыва тех связей, которыми данное явление неразрывно вплетено в ткань Вселенной. При этом мы добровольно отказываемся от части истины, хранящейся в этих связях.

 СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

 

  1. Волков Г.Н. Три лика культуры. — М.: Молодая гвардия, 1986. – 335 с.
  2. Дубнищева Т.Я. Концепции современного естествознания. — Новосибирск: ЮКЭА, 2007. – 834 с.
  3. Дягилев Ф.М. Концепции современного естествознания. – М.:   ИМПЭ, 2005.
  4. Концепции современного естествознания /Под ред. С.И. Самыгина. — Ростов н/Д:  Феникс, 2004. – 576 с.
  5. Лем С. Сумма технологий. – М. Мир, 1968. – 311 с.

     

     

     

     

     

     


     

<

Комментирование закрыто.

MAXCACHE: 0.94MB/0.00054 sec

WordPress: 22.52MB | MySQL:122 | 1,354sec