Контрольная работа по "Концепции современного естествознания»

Федеральное агентство по образованию

Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования

«Российский государственный  профессионально-педагогический университет»

Институт электроэнергетики  и информатики

Кафедра общей физики

 

 

 

 

 

 

 

Контрольная работа

По дисциплине: Концепции  современного естествознания»

Вариант №46

 

 

 

 

 

 

 

 

Студент: Лыжина А.Ю.

гр. ЗИД-  12С

Преподаватель: Федорова Л.М.

 

 

 

 

Екатеринбург,  2013 г.

Содержание

 

 

1. Вопрос №47. Понятие симметрии и асимметрии. Инвариантность. Взаимосвязь симметрии с законом. Формы симметрии (геометрическая и динамическая форма). Калибровочная симметрия.

 

2. Вопрос №109. Теория Мегамира – общая теория относительности Ф. Эйнштейна (ОТО) – теоретическая основа современной космологии. Введите понятие «неинерциальные системы отсчета» общий принцип относительности. Принцип эквивалентности. В чем причина тяготения? Искривление пространства-времени в гравитационном поле. Геодезическая линия. Каково соотношение классической механики и ОТО? Что означает гравитация (по Ньютону) и гравитация (по Эйнштейну)? Эмпирические доказательства ОТО.

 

3. Вопрос №176. Понятие «экологическая катастрофа». Примеры прогнозируемых и реально существующих катастроф. Катастрофа на Арале, её су3щность и основные причины.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1. Вопрос №47

 

Понятие симметрии и асимметрии. Инвариантность. Взаимосвязь симметрии  с законом. Формы симметрии (геометрическая и динамическая форма). Калибровочная  симметрия.

 

Понятия симметрии и асимметрии фигурируют в науке с древнейших времен скорее в качестве эстетического  критерия, чем строго научных определений. До появления идеи симметрии математика, физика, естествознание в целом напоминали отдельные островки безнадежно изолированных  друг от друга и даже противоречивых представлений, теорий, законов. Симметрия  характеризует и знаменует собой  эпоху синтеза, когда разрозненные фрагменты научного знания сливаются  в единую, целостную картину мира. В качестве одной из основных тенденций  этого процесса выступает математизация  научного знания.

Симметрию принято рассматривать  не только как основополагающую картину  научного знания, устанавливающую внутренние связи между системами, теориями, законами и понятиями, но и относить ее к атрибутам таким же фундаментальным, как пространство и время, движение. В этом смысле симметрия определяет структуру материального мира, всех его составляющих. Симметрия обладает многоплановым и многоуровневым характером. Например, в системе  физических знаний симметрия рассматривается  на уровне явлений, законов, описывающих  эти явления, и принципов, лежащих  в основе этих законов, а в математике – при описании геометрических объектов. Симметрия может быть классифицирована как:

·  геометрическая;

·  динамическая, описывающая соответственно кристаллографический, математический и физический аспекты данного понятия.

Простейшие симметрии  представимы геометрически в  нашем обычном трехмерном пространстве и потому наглядны. Такие симметрии  связаны с геометрическими операциями, которые приводят рассматриваемое  тело к совпадению с самим собой. Говорят, что симметрия проявляется  в неизменности (инвариантности) тела или системы по отношению к  определенной операции. Например, сфера (без каких-либо меток на ее поверхности) инвариантна относительно любого поворота. В этом проявляется ее симметричность. Сфера с меткой, например, в виде точки, совпадает сама с собой  лишь при повороте, после которого в исходное положение попадает метка  на ней. Наше трехмерное пространство изотропно. Это означает, что как и сфера без меток, оно совпадает с самим собой при любом повороте. Пространство неразрывно связано с материей. Поэтому наша Вселенная также изотропна. Пространство кроме того однородно. Это означает, что оно (и наша Вселенная) обладает симметрией относительно операции сдвига. Той же симметрией обладает и время.

Одной из важнейших особенностей геометрических симметрий является их связь с  законами сохранения. Значение законов  сохранения (законы сохранения импульса, энергии, заряда и др.) для науки  трудно переоценить. Дело в том, что  понятие симметрии применимо  к любому объекту, в том числе  и к физическому закону.

Вспомним, что согласно принципу относительности  Эйнштейна, все физические законы имеют  одинаковый вид в любых инерциальных системах отсчета. Это означает, что они симметричны (инвариантны) относительно перехода от одной инерциальной системы к другой.

Теорема Нетер. Наиболее общий подход к взаимосвязи симметрий и законов сохранения содержится в знаменитой теореме Э. Нетер. В 1918 г., работая в составе группы по проблемам теории относительности, доказала теорему, упрощенная формулировка которой гласит: если свойства системы не меняются относительно какого-либо преобразования переменных, то этому соответствует некоторый закон сохранения.

Рассмотрим переходы от одной инерциальной системы к другой. Поскольку есть разные способы таких переходов, то, следовательно, есть различные виды симметрии, каждому из которых, согласно теореме Нетер, должен соответствовать  закон сохранения.

Переход от одной инерциальной системы (ИСО) к другой можно осуществлять следующими преобразованиями:

1. Сдвиг начала координат. Это  связано с физической эквивалентностью  всех точек пространства, т.е.  с его однородностью. В этом  случае говорят о симметрии  относительно переносов в пространстве.

2. Поворот тройки осей координат.  Эта возможность обусловлена  одинаковостью свойств пространства во всех направлениях, т.е. изотропностью пространства и соответствует симметрии относительно поворотов.

3. Сдвиг начала отсчета по  времени, соответствующий симметрии  относительно переноса по времени.  Этот вид симметрии связан  с физической эквивалентностью  различных моментов времени и  однородностью времени, т.е. его  равномерным течением во всех  инерциальных системах –отсчета. Смысл эквивалентности различных моментов времени заключается в том, что все физические явления протекают независимо от времени их начала (при прочих равных условиях).

4. Равномерное прямолинейное движение  начала отсчета со скоростью  V, т.е. переход от покоящейся  системы к системе, движущейся  равномерно и прямолинейно.

Это возможно, т.к. такие системы  эквивалентны. Такую симметрию условно  называют изотропностью пространства-времени. Переход же осуществляется с помощью преобразований Галилея или преобразований Лоренца. (Важно отметить, что физические законы не являются симметричными относительно вращающихся систем отсчета. Вращение замкнутой системы отсчета можно обнаружить по действию центробежных сил, изменения плоскости качания маятника и др. Кроме того, физические законы не являются симметричными и относительно масштабных преобразований систем – т.н. преобразований подобия. Поэтому законы макромира нельзя автоматически переносить на микромир и мегамир.)

Описанные выше 4 вида симметрии являются универсальными. Это означает, что  все законы природы относительно них инвариантны с большой  степенью точности, а соответствующие  им законы являются фундаментальными. К этим законам относятся соответственно:

1. Закон сохранения импульса  как следствие однородности пространства.

2. Закон сохранения момента импульса  как следствие изотропности пространства.

3. Закон сохранения энергии как  следствие однородности времени.

4. Закон сохранения скорости центра масс (следствие изотропности

пространства-времени).

Как уже было сказано ранее, описанные  виды симметрий относятся к геометрическим. Связь с законами сохранения обнаруживают и динамические симметрии. С динамическими симметриями связан закон сохранения электрического заряда (при превращении элементарных частиц сумма электрических зарядов частиц остается неизменной), закон сохранения лептонного заряда (при превращении элементарных частиц сумма разность числа пептонов и антилептонов не меняется) и т.д.

Так закон сохранения электрического заряда вытекает из электромагнитной калибровочной симметрии. Ее суть состоит в том, что при масштабных преобразованиях силовые характеристики электромагнитного поля (напряженность электрического поля и индукция магнитного поля B остаются неизменными. Из этого закона вытекает, в частности, устойчивость электрона – самой мелкой фундаментальной заряженной частицы, способной существовать в свободном состоянии.

При рассмотрении действия тех или  иных фундаментальных законов не следует забывать, что каждому  виду симметрии соответствует своя асимметрия.

Асимметричные условия исключают  наличие резкой грани между законами и условиями их действия. Поэтому  содержание законов всегда должно включать определенные моменты асимметричных  условий.

Кроме простых (геометрических) симметрий в физике широко встречаются  весьма сложные, так называемые динамические симметрии, то есть симметрии, связанные  не с пространством и временем, а с определенным типом взаимодействий. Они не являются наглядными, и даже простейшие из них, например, так называемые калибровочные симметрии, затруднительно пояснить без использования довольно сложной физической теории. Калибровочным симметриям в физике также отвечают некоторые законы сохранения. Например, калибровочная симметрия электромагнитных потенциалов приводит к закону сохранения электрического заряда.

Асимметрия – это несимметрия, т.е. такое состояние, когда симметрия отсутствует. Но еще Кант говорил, что отрицание никогда не является простым исключением или отсутствием соответствующего положительного содержания. Например, движение – это отрицание своего предыдущего состояния, изменение объекта. Движение отрицает покой, но покой не есть отсутствие движения, так как очень мало информации и эта информация ошибочна. Отсутствия покоя, как и движения, не бывает, поскольку это две стороны одной и той же сущности. Покой – это другой аспект движения.

Полного отсутствия симметрии  также не бывает. Фигура, не имеющая  элемента симметрии, называется асимметричной. Но, строго говоря, это не так. В случае асимметричных фигур расстройство симметрии просто доведено до конца, но не до полного отсутствия симметрии, так как эти фигуры еще характеризуются  бесконечным числом осей первого  порядка, которые также являются элементами симметрии.

Асимметрия связана с  отсутствием у объекта всех элементов  симметрии. Такой элемент неделим  на части. Примером является рука человека. Асимметрия – это категория, противоположная  симметрии, которая отражает существующие в объективном мире нарушения  равновесия, связанные с изменением, развитием, перестройкой частей целого. Так же, как мы говорим о движении, имея в виду единство движения и  покоя, так же симметрия и асимметрия – две полярные противоположности  объективного мира. В реальной природе  нет чистых симметрии и асимметрии. Они всегда находятся в единстве и непрерывной борьбе.

На разном уровне развития материи присутствует то симметрия (относительный порядок), то асимметрия (тенденция нарушения покоя, движение, развитие), но всегда эти две тенденции  едины и их борьба абсолютна. Реальные, даже самые совершенные кристаллы далеки по своей структуре от кристаллов идеальной формы и идеальной симметрии, рассматриваемой в кристаллографии. В них имеются существенные отступления от идеальной симметрии. Они имеют и элементы асимметрии: дислокации, вакансии, оказывающие влияние на их физические свойства.

Определения симметрии и  асимметрии указывают на универсальный, общий характер симметрии и асимметрии как свойств материального мира. Анализ понятия симметрии в физике и математике (за редким исключением) имеет тенденцию к абсолютизации  симметрии и трактовке асимметрии как отсутствия симметрии и порядка. Антипод симметрии выступает  как понятие чисто негативное, но заслуживающее внимания. Значительный интерес к асимметрии возник в  середине XIX века в связи с опытами  Л. Пастера по изучению и разделению стереоизомеров.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2. Вопрос №109

 

Теория Мегамира – общая теория относительности Ф. Эйнштейна (ОТО) – теоретическая основа современной космологии. Введите понятие «неинерциальные системы отсчета» общий принцип относительности. Принцип эквивалентности. В чем причина тяготения? Искривление пространства-времени в гравитационном поле. Геодезическая линия. Каково соотношение классической механики и ОТО? Что означает гравитация (по Ньютону) и гравитация (по Эйнштейну)? Эмпирические доказательства ОТО.