Микро-, макро- и мега - миры. Атомистическая концепция строения материи. астрофизические и космологические концепции

Введение

Важнейшее свойство материи -- ее структурная и системная организация, которая выражает упорядоченность существования материи в виде огромного разнообразия материальных объектов различных масштабов и уровней, связанных между собой единой системой иерархии.

Уже в глубокой древности, за две с половиной тысячи лет до нашего времени, зародилось представление, что все окружающие нас тела состоят из мельчайших частиц, недоступных непосредственному наблюдению.

Однако за последние 150 лет развилось и экспериментально обосновано современное учение о молекулах и атомах. Успехи в изучении строения вещества и раскрыли перед исследователями природы этот новый мир.

Мир мельчайших частиц оказался чрезвычайно сложным - любое тело, которое в механике рассматривалось как сплошное, при использовании новых методов исследований оказывалось сложной системой громадного числа непрерывно движущихся молекул. Молекулы оказались состоящими из еще более мелких частиц -- атомов, причем в некоторых типах молекул число атомов оказалось очень большим. В свою очередь атомы оказались сложными системами, состоящими из электронов и ядер, а сами ядра -- состоящими из различных частиц.

Таким образом, все объекты в природе состоят из элементарных частиц, объединенных в более или менее сложные структуры.

Все вышесказанное обосновывает актуальность данной темы.

Цель работы: всестороннее изучение микромира и его элементов.

Работа состоит из введения, двух глав, заключения и списка использованной литературы. Общий объем работы 15 страниц.

Микромир

Понятие «микромир»

Все многообразие известных человечеству объектов и свойственных им явлений обычно разделяется на три качественно различные области - микро-, макро- и мегамиры.

Мегамир включает галактики и звезды; макромир -- планетные системы звезд, планеты, окружающие нас тела; микромир -- молекулы, атомы, ядра атомов, элементарные частицы. Структура основных материальных объектов представлена в табл.1.

Таблица 1 - Структура основных материальных объектов

Структура основных материальных объектов
Область пространства	Протяжен-ность области, м	Объекты -- структурные единицы деления материи	Размеры объекта, м	Состав объекта	Движение внутри объекта составляя-ющих его струк-турных частей
		Галактики
Макромир		Планетные системы звезд Планеты и окружающие нас на Земле тела. Электромагнитное поле Гравитационное поле		Молекулы	Молекул и атомов
Микромир		Молекулы и атомы Ядра атомов Элементарные частицы		Ядра и электроны	Электронов и ядер Нуклонов Взаимное превращение частиц

Если сравнить состав объектов всех трех областей (мегамир, макромир, микромир), то можно сделать важный вывод: все состоит из элементарных частиц, причем в состав вещества в стабильном состоянии входит всего три вида основных частиц. Это протоны, нейтроны и электроны, а электромагнитное поле состоит из фотонов. Это микромир - область предельно малых, непосредственно ненаблюдаемых материальных микрообъектов, размер которых исчисляется в диапазоне от 10 -8 до10 -16 см, а время жизни - от бесконечности до 10 -24 с. Это мир от атомов до элементарных частиц.

В отличие от мира крупных тел, или макромира, микромир недоступен непосредственному наблюдению, и для изучения его требуются особые, тонкие методы. Микромир оказался чрезвычайно сложным. Любое тело, которое в механике рассматривалось как сплошное, при использовании новых методов исследований оказывалось сложной системой громадного числа непрерывно движущихся молекул.

Молекулы оказались состоящими из еще более мелких частиц -- атомов, причем в некоторых типах молекул число атомов оказалось очень большим. В свою очередь атомы оказались сложными системами, состоящими из электронов и ядер, а сами ядра -- состоящими из различных частиц.

Таким образом, под понятием «микромир» понимается совокупность фундаментальных элементарных частиц и их взаимодействий.

Приступая к изучению микромира, начнем с определения атомов и молекул.

МАКРОМИР И МИКРОМИР – две основные области материального мира, кардинально различающиеся характером своих закономерностей. 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.

Вселенная — это чье-то тело. Звезды над нами — это атомы тела неизвестного гигантского существа

Существует гипотеза, что наша Вселенная - тело неизвестного существа. Именно поэтому она (оно - тело) имеет свои пределы. Однако за пределами его другая бесконечность, другие тела и населенная ими Вселенная, которая также является ограниченной в пространстве, потому что сама является чьим-то телом и так без конца. Гипотеза, на первый взгляд, бредовая, но если вдуматься, то не настолько, чтобы не имела право на существование. Именно поэтому ее обсуждают, на полном серьезе авторитетные научные сообщества. На самом деле, схожесть макро- и микромиров была давно подмечена наблюдателями и учеными мужами. Причем схожесть эта подчас просто поразительная. Если бы каким-нибудь чудесным способом мы смогли переместиться внутрь атома на третий по счету электрон, то сходство с нашим миром было бы таким, что перемен мы бы и не заметили. Разве что при взгляде на ночное небо не обнаружили бы знакомых созвездий. Но плотность звезд осталась бы прежней, сохранилась такой же продолжительность суток, продолжительность года. Вот время неслось бы стремительно, по сравнению с жизнью на планете Земля. За секунду, пока вы чихаете, в микромире пролетят миллионы, а то и миллиарды лет.

Невероятно!

Микромир внутри любого живого существа безумно разнообразен и сложен. Внутри каждого из нас таится целая Вселенная

Если там существует разумная жизнь, то сменятся сотни цивилизаций, возникнут и будут уничтожены целые миры. Но, находясь внутри атома, мы этого не заметим, потому что время будет течь для нас, как и прежде.

Тема, кстати, давно освоена писателями-фантастами. Еще в детстве я читал рассказ (название и автора забыл), но суть такая.

Экспедиция обнаружила в пустыне две гигантские статуи. Как и каким образом, они туда попали – загадка, и вещество из которого гиганты оказались сделаны. На первый взгляд, оно напоминало какую-то скальную породу.

Тогда один из участников отколол от ноги статуи кусочек для того, чтобы изучить в лаборатории и вернуться назад. Но вскоре началась война и в следующий раз члены оказались в этой же пустыне спустя долгие годы.

Они нашли статуи, и каково же было их удивление, когда они увидели, что те сменили позы. На лице одной проступила тревога, а другая, от ноги которой откололи кусок, тянулась рукой к сколу, почувствовав боль.

Невероятно!

Атомы и клетки, из которых состоит все живое на Земле, подчиняются тем же законам, которым подчиняются небесные тела

Но это всего лишь рассказ, на самом деле, ученые полагают, что скорость течения времени пропорциональна величине объекта. И если Вселенная микромира меньше нашей во многие миллиарды раз, то и время течет там во много миллиардов раз быстрее.

Кроме временных и другие физические соотношения были найдены в микро- и макромирах.

Вывод сделан следующий: «Все то, что мы наблюдаем и при помощи нашего зрения, и при помощи сверхмощных телескопов (типа Хаббл), и галактики – есть отдельные составные элементы или части некого сверхорганизма, макрочеловека».

Это гигантское, по нашим меркам, сверхсущество размером в 20 млрд. световых лет. Напомним, что световой год это единица измерения пространства, а не времени.

То есть для того, чтобы преодолеть такое расстояние надо двигаться со скоростью 300 тыс. км. в секунду двадцать миллиардов лет.

Звезды на нашем небосводе – ядра атомов сверхсущества, а Солнце – всего лишь одно из ядер. Земля – третий по счету из восьми электронов этого атома.

Самое интересное то, что этот для другого сверхсущества будет находиться в микромире, как для нас в атоме.

Невероятно!

Если клетку увеличить настолько, чтобы увидеть атомы, из которых она состоит, то картина будет такой же, которую мы видим, глядя на ночное небо

Необычные явления в космосе

О том, что Космос – живой организм говорил триста лет назад Г. Лейбниц – безусловный авторитет в математике и физике.

Поэтому вселенские процессы, такие как взрывы сверхновых, разрушение и рождение светил, деятельность квазаров и пульсаров – это химические процессы, происходящие в клетках живого суперорганизма.

Невероятно!

Клетки каждого живого существа регенерируют, делятся, умирают, – эти процессы идут безостановочно. Во Вселенной происходит то же самое, только по нашей временной шкале это занимает очень много времени

Точно так же как и процессы, происходящие в клетках нашего организма, для микромира оборачиваются вселенскими , растянутыми во времени.

Ученые микромира, вероятно, столетиями бьются над загадкой взрыва и разрушения галактики, после того, как вы отрезали заусенец на ногте. А укол витамина В, который вам вкатили для улучшения самочувствия, породит тысячи новых миров и столько же уничтожит.

Именно поэтому микробиолог, наблюдающий в электронный микроскоп живую клетку, астроном или астрофизик, занятые изучением галактик и сверхновых, по сути, занимаются одним и тем же делом: пытаются понять устройство мира на объектах различающихся лишь в масштабах.

Авторы:

ученица 9 класса «А»,

Афанасьева Ирина,

ученица 9 класса «А»,

Татаринцева Анастасия

ученик 11 класса «А»,

Таразанов Артемий;

Научные руководители:

учитель информатики и ИКТ,

Абродин Александр Владимирович

учитель физики,

Шамрина Наталья Максимовна

Микро-, макро- и мега - миры. 4

Микромир. 5

Макромир. 6

Мегамир. 8

СОБСТВЕННЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ. 10

Проблема взаимодействия мега-, макро- и микромира. 10

Большое и малое. 12

Большое и малое в других науках. 14

ПРАКТИЧЕСКАЯ ЧАСТЬ. 18

Метапредметное учебное занятие "Большое и малое» с использованием интерактивной доски. 18

Заключение 20

Список литературы 21

Приложение 1. 22

Приложение 2. 23

Приложение 3. 25

Введение.

Блез Паскаль
Область исследования. Вселенная - вечная загадка. Издавна люди пытались найти объяснение многообразию и причудливости мира. Естественные науки, начав изучение материального мира, с наиболее простых материальных объектов, переходят к изучению сложнейших объектов глубинных структур материи, выходящих за пределы человеческого восприятия и несоизмеримых с объектами повседневного опыта.

Объект исследования . В середине XX века американский астроном Харлоу Шепли предложил интересную пропорцию:

Здесь человек является как бы средним геометрическим между звёздами и атомами. Мы решили рассмотреть этот вопрос с точки зрения физики.

Предмет исследования . В науке выделяют три уровня строения материи: микромир, макромир и мегамир. Определенные их значения и взаимоотношения между ними, по существу, обеспечивают структурную устойчивость нашей Вселенной.

Поэтому проблема, казалось бы, абстрактных мировых констант имеет глобальное мировоззренческое значение. В этом заключается актуальность нашей работы.

Цель проекта : исследовать микро-, макро- и мега миры, найти их особенности и связь.

Задачи проекта формировались следующим образом:

изучить и проанализировать теоретический материал;
исследовать законы, которым подчиняются большие и малые объекты в физике;
проследить связь большого и малого в других науках;
написать программу «Большое и малое» для метапредметного учебного занятия ;
собрать коллекцию фотографий, в которых прослеживается симметрия микро-, макро-, и мегамиров;
составить буклет «Микро-, макро- и мега- миры».

В начале исследования нами была выдвинута гипотеза , что в природе есть симметрия.

Основными методами проекта стала работа с научно-популярной литературой, сравнительный анализ полученной информации, отбор и обобщение информации, популяризация знаний по данной теме.

Экспериментальное оборудование : интерактивная доска.

Работа состоит из введения, теоретической и практической частей, заключения, списка литературы и трех приложений. Объём проектной работы – 20 страниц (без приложений).

ТЕОРЕТИЧЕСКАЯ ЧАСТЬ.

Наука начинается там, где начинают измерять.

Д.И. Менделеев

Микро-, макро- и мега - миры.

Перед началом исследования мы решили изучить теоретический материал, чтобы определить особенности микро, макро и мега миров. Понятно, что границы микро - и макромира подвижны, и не существует отдельного микромира и отдельного макромира. Естественно, что макрообъекты и мегаобъекты, построены из микрообъектов и в основе макро- и мега - явлений лежат микроявления. В классической физике не было объективного критерия отличия макро - от микрообъекта. Это отличие ввел в 1897 году немецкий физик-теоретик, М. Планк: если для рассматриваемого объекта минимальным воздействием на него можно пренебречь, то это макрообъекты, если нельзя – это микрообъекты. В основе представлений о строении материального мира лежит системный подход, согласно которому любой объект материального мира, будь то атом, планета, организм или галактика, может быть рассмотрен как сложное образование, включающее в себя составные части, организованные в целостность. С точки зрения науки важным принципом разделения материального мира на уровни является структура деления по пространственным признакам – размерам. В науку вошли деление по размерам и масштабы большого и малого. Наблюдаемый диапазон размеров и расстояний делят на три части, каждая часть представляет обособленный мир объектов и процессов. Понятия мега-, макро- и микромир на данном этапе развития естествознания являются относительными и удобными для понимания окружающего мира. Эти понятия со временем, вероятно, могут видоизменяться, т.к. они еще мало изучены. Наиболее замечательной характеристикой законов природы является то, что они подчиняются математическим закономерностям с высокой точностью. Чем глубже мы понимаем законы природы, тем сильнее чувствуем, что физический мир как-то исчезает, и мы остаемся лицом к лицу с чистой математикой, т. е. имеем дело лишь с миром математических правил.

Микромир.

Микромир – это молекулы, атомы, элементарные частицы - мир предельно малых, непосредственно не наблюдаемых микрообъектов, пространственная размерность которых исчисляется от 10 8 до 10 16 см, а время жизни - от бесконечности до 10 24 с.

История исследований . Древнегреческим философом Демокритом в античности была выдвинута Атомистическая гипотеза строения материи. Благодаря трудам английского учёного Дж. Дальтона стали изучаться физико-химические свойства атома. В XIX в. Д. И. Менделеев построил систему химических элементов, основанную на их атомном весе. В физику представления об атомах как о последних неделимых структурных элементах материи пришли из химии. Собственно физические исследования атома начинаются в конце XIX в., когда французским физиком А. А. Беккерелем было открыто явление радиоактивности, которое заключалось в самопроизвольном превращении атомов одних элементов в атомы других элементов. В 1895 г. Дж. Томсон открыл электрон. Поскольку электроны имеют отрицательный заряд, а атом в целом электрически нейтрален, то было сделано предположение о наличии помимо электрона и положительно заряженной частицы. Существовало несколько моделей строения атома.

Далее были выявлены специфические качества микрообъектов, выражающиеся в наличии у них как корпускулярных (частицы), так и световых (волны) свойств. Элементарные частицы – простейшие объекты микромира, взаимодействующие как единое целое. Основные характеристики элементарных частиц: масса, заряд, среднее время жизни, квантовые числа.

Стремительно возрастает количество открытых элементарных частиц. К концу ХХ века физика приблизилась к созданию стройной теоретической системы, объясняющей свойства элементарных частиц. Предложены принципы, позволяющие дать теоретический анализ многообразия частиц, их взаимопревращений, построить единую теорию всех видов взаимодействий.

Макромир.

Макромир - мир устойчивых форм и соразмерных человеку величин, а также кристаллические комплексы молекул, организмы, сообщества организмов; мир макрообъектов, размерность которых соотносима с масштабами человеческого опыта: пространственные величины выражаются в миллиметрах, сантиметрах и километрах, а время - в секундах, минутах, часах, годах.

История исследований . В истории изучения природы можно выделить два этапа: донаучный и научный, охватывает период от античности до XVI-XVII вв. Наблюдаемые природные явления объяснялись на основе умозрительных философских принципов. Со становления классической механики начинается научный этап изучения природы. Формирование научных взглядов на строение материи относится к XVI в., когда Г. Галилеем была заложена основа первой в истории науки физической картины мира - механической. Он не просто обосновал гелиоцентрическую систему Н. Коперника и открыл закон инерции, а разработал методологию нового способа описания природы - научно-теоретического. И. Ньютон, опираясь на труды Галилея, разработал строгую научную теорию механики, описывающую и движение небесных тел, и движение земных объектов одними и теми же законами. Природа рассматривалась как сложная механическая система. Материя рассматривалась как вещественная субстанция, состоящая из отдельных частиц. Атомы прочны, неделимы, непроницаемы, характеризуются наличием массы и веса. Существенной характеристикой ньютоновского мира было трехмерное пространство евклидовой геометрии, которое абсолютно постоянно и всегда пребывает в покое. Время представлялось как величина, не зависящая ни от пространства, ни от материи. Движение рассматривалось как перемещение в пространстве по непрерывным траекториям в соответствии с законами механики. Итогом такой картины мира явился образ Вселенной как гигантского и полностью детерминированного механизма, где события и процессы являют собой цепь взаимозависимых причин и следствий.

Вслед за ньютоновской механикой были созданы гидродинамика, теория упругости, механическая теория тепла, молекулярно-кинетическая теория и целый ряд других, в русле которых физика достигла огромных успехов. Однако были две области - оптических и электромагнитных явлений, которые не могли быть полностью объяснены в рамках механистической картины мира.

Эксперименты английского естествоиспытателя М. Фарадея и теоретические работы английского физика Дж. К. Максвелла окончательно разрушили представления ньютоновской физики о дискретном веществе как единственном виде материи и положили начало электромагнитной картине мира. Явление электромагнетизма открыл датский естествоиспытатель X. К. Эрстед, который впервые заметил магнитное действие электрических токов. Продолжая исследования в этом направлении, М. Фарадей обнаружил, что временное изменение в магнитных полях создает электрический ток. М. Фарадей пришел к выводу, что учение об электричестве и оптика взаимосвязаны образуют единую область. Его работы стали исходным пунктом исследований Дж. К. Максвелла, заслуга которого состоит в математической разработке идей М. Фарадея о магнетизме и электричестве. Максвелл «перевел» модель силовых линий Фарадея в математическую формулу. Понятие «поле сил» первоначально складывалось как вспомогательное математическое понятие. Дж. К. Максвелл придал ему физический смысл и стал рассматривать поле как самостоятельную физическую реальность.

После экспериментов Г. Герца в физике окончательно утвердилось понятие поля не в качестве вспомогательной математической конструкции, а как объективно существующей физической реальности. В результате же последующих революционных открытий в физике в конце прошлого и начале нынешнего столетий оказались разрушенными представления классической физики о веществе и поле как двух качественно своеобразных видах материи.

Мегамир.

Мегамир (планеты, звезды, галактика) - мир огромных космических масштабов и скоростей, расстояние в котором измеряется световыми годами, а время существования космических объектов - миллионами и миллиардами лет.

История исследований. Современные космологические модели Вселенной основываются на общей теории относительности А. Эйнштейна, согласно которой метрика пространства и времени определяется распределением гравитационных масс во Вселенной. Ее свойства как целого обусловлены средней плотностью материи и другими конкретно-физическими факторами. Время существования Вселенной бесконечно, т.е. не имеет ни начала, ни конца, а пространство безгранично, но конечно.

В 1929 году американский астроном Э.П. Хаббл обнаружил существование странной зависимости между расстоянием и скоростью галактик: все галактики движутся от нас, причем со скоростью, которая возрастает пропорционально расстоянию, - система галактик расширяется. Расширение Вселенной считается научно установленным фактом. Согласно теоретическим расчетам Ж. Леметра, радиус Вселенной в первоначальном состоянии был 10-12 см, что близко по размерам к радиусу электрона, а ее плотность составляла 1096 г/см3.

Ретроспективные расчеты определяют возраст Вселенной в 13-20 млрд. лет. Американский физик Г.А. Гамов предположил, что температура вещества была велика и падала с расширением Вселенной. Его расчеты показали, что Вселенная в своей эволюции проходит определенные этапы, в ходе которых происходит образование химических элементов и структур. В современной космологии для наглядности начальную стадию эволюцию Вселенной делят на “эры”:

Эра адронов. Тяжелые частицы, вступающие в сильные взаимодействия;

Эра лептонов. Легкие частицы, вступающие в электромагнитное взаимодействие;

Фотонная эра. Продолжительность 1млн. лет. Основная доля массы - энергии Вселенной - приходится на фотоны;

Звездная эра. Наступает через 1млн. лет после зарождения Вселенной. В звездную эру начинается процесс образования протозвезд и протогалактик.

Затем разворачивается грандиозная картина образования структуры Метагалактики.

В современной космологии наряду с гипотезой Большого взрыва весьма популярна инфляционная модель Вселенной, в которой рассматривается творение Вселенной. Идея творения имеет очень сложное обоснование и связана с квантовой космологией. В этой модели описывается эволюция Вселенной, начиная с момента 10 45 с после начала расширения. В соответствии с инфляционной гипотезой космическая эволюция в ранней Вселенной проходит ряд этапов.

Различие между этапами эволюции Вселенной в инфляционной модели и модели Большого взрыва касается только первоначального этапа порядка 10 30 с, далее между этими моделями принципиальных расхождений в понимании. Вселенной на самых разных уровнях, от условно элементарных частиц и до гигантских сверхскоплений галактик, присуща структурность. Современная структура Вселенной является результатом космической эволюции, в ходе которой из протогалактик образовались галактики, из протозвезд – звезды, из протопланетного облака – планеты.

Первые теории происхождения Солнечной системы были выдвинуты немецким философом И. Кантом и французским математиком П. С. Лапласом. Согласно этой гипотезе система планет вокруг Солнца образовалась в результате действия сил притяжения и отталкивания между частицами рассеянной материи (туманности), находящейся во вращательном движении вокруг Солнца.

СОБСТВЕННЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ.

Проблема взаимодействия мега-, макро- и микромира .

Живой предмет желая изучить,
Чтоб ясное о нем понятье получить,
Ученый прежде душу изгоняет,
Затем предмет на части расчленяет
И видит их, да жаль: духовная их связь
Тем временем исчезла, унеслась!
Гете
Прежде чем перейти к дальнейшему рассмотрению, нам следует оценить временные и пространственные масштабы Вселенной и как-то связать их с местом и ролью человека в общей картине мира. Попробуем объединить масштабы некоторых известных объектов и процессов в единую диаграмму (рис. 1), где слева представлены характерные времена, а справа - характерные размеры. В нижнем левом углу рисунка указан минимальный масштаб времени, имеющий какой-то физический смысл. Этот интервал времени, равный 10 43 с, называется планковским временем («хрононом»). Он намного короче продолжительности всех известных нам процессов, включая очень краткие процессы физики элементарных частиц (например, время существования самых короткоживущих частиц-резонансов составляет около 10 23 с). Выше по диаграмме указана длительность некоторых известных процессов, вплоть до возраста Вселенной.

Размеры физических объектов на рисунке изменяются от 10 15 м (характерный размер элементарных частиц) до 10 27 м (радиус наблюдаемой Вселенной, приблизительно соответствующий ее возрасту, умноженному на скорость света). Интересно оценить положение, которое на диаграмме занимаем мы, люди. На шкале размеров мы находимся где-то в середине, будучи чрезвычайно крупными по отношению к длине Планка (и превышая на много порядков размеры элементарных частиц), но очень маленькими в масштабах всей Вселенной. С другой стороны, на временной шкале процессов длительность человеческой жизни выглядит совсем неплохо, и ее можно сопоставлять с возрастом Вселенной! Люди (и в особенности поэты) любят жаловаться на эфемерность человеческого существования, однако наше место на временной шкале вовсе не является жалким или ничтожным. Разумеется, нам следует помнить, что все сказанное относится к «логарифмической шкале», однако ее использование представляется совершенно оправданным при рассмотрении столь гигантских диапазонов значений. Говоря другими словами, число человеческих жизней, укладывающихся в возрасте Вселенной, намного меньше, чем число времен Планка (или даже времен жизни элементарных частиц), укладывающихся в продолжительность жизни человека. В сущности, мы являемся довольно стабильными структурами Вселенной. Что же касается пространственных масштабов, то мы действительно находимся где-то в середине шкалы, вследствие чего нам не дано воспринимать в непосредственных ощущениях не очень большие, не очень малые объекты окружающего нас физического мира.

Из протонов и нейтронов образуются ядра атомов. Атомы объединяются в молекулы. Если двигаться дальше по шкале размеров тел, то далее следует обычные макротела, планеты и их системы, звезды скопления галактик и метагалактик, то есть можно представить переход от микро-, макро- и мега - как в размерах, так и моделях физических процессов.

Большое и малое.

Быть может, эти электроны -
Миры, где пять материков,
Искусства, знанья, войны, троны
И память сорока веков!
Еще, быть может, каждый атом -
Вселенная, где сто планет.
Там все, что здесь, в объеме сжатом,
Но также то, чего здесь нет.
Валерий Брюсов

Основная причина, по которой мы разделил физические законы на части, относящиеся к «большому» и «малому», заключается в том, что общие закономерности физических процессов в очень большом и очень малом масштабах представляются весьма различными. Ничто не волнует человека так постоянно и глубоко, как тайны времени и пространства. Цель и смысл познания – понять скрытые механизмы природы и наше место во Вселенной.

Американский астроном Шепли предложил интересную пропорцию:

х в этой пропорции – человек, который является как бы средним геометрическим между звёздами и атомами.

По обе стороны от нас неисчерпаемая бесконечность. Мы не можем познать эволюцию звёзд, не изучая атомное ядро. Нам не может быть ясна роль элементарных частиц во Вселенной без знания эволюции звёзд. Мы стоим как бы на перекрёстке дорог, уходящих в бесконечность. На одной дороге время соизмеримо с возрастом Вселенной, на другой оно измеряется исчезающее малыми промежутками. Но нигде не соизмеримо оно с масштабом человеческой жизни. Человек стремится объяснить Вселенную во всех её подробностях, в пределах познаваемого, приемами и способами, посредством наблюдения, опыта и математического вычисления. Нам необходимы такие понятия и методы исследования, с помощью которых могут быть установлены научные факты. А для установления научных фактов в физике вводится объективная количественная характеристика свойств тел и природных процессов, независящая от субъективных ощущений человека. Введение таких понятий является процессом создания особого языка – языка науки физики. Основу языка физики составляют понятия, называемые физическими величинами. А любая физическая величина должна быть измерена, так как без измерений физических величин нет и физики.

И так, давайте попробуем разобраться, что же такое физическая величина. Физическая величина – физическое свойство материального объекта, физического явления, процесса, которое может быть охарактеризовано количественно. Значение физической величины - число, вектор, характеризующие эту физическую величину, с указанием единицы измерения, на основе которой эти числа или вектор были определены. Размер физической величины - числа, фигурирующие в значении физической величины. Измерить физическую величину – значит сравнить ее с другой величиной, условно принятой за единицу измерения. Русское слово «величина» имеет несколько иной смысл, чем английское слово “quantity“. В Словаре Ожегова (1990) слово “величина“ трактуется как “размер, объем, протяженность предмета“. Согласно интернетовскому словарю слово “величина“ переводится на английский язык в физике 11-ю словами, из которых наиболее подходят по смыслу 4 слова: quantity (физическое явление, свойство), value (значение), amount (количество), size (размер, объём).

Разберемся подробнее в этих определениях. Возьмем, например, такое свойство, как длина. Она действительно применяется для характеристики многих объектов. В механике – это длина пути, в электричестве – длина проводника, в гидравлике – длина трубы, в теплотехнике – толщина стенки радиатора и т.д. Но значение длины у каждого из перечисленных объектов различно. Длина автомобиля равна нескольким метрам, длина рельсового пути или – многим километрам, а толщину стенки радиатора проще оценивать в миллиметрах. Так что это свойство действительно индивидуально для каждого объекта, хотя природа длины во всех перечисленных примерах одна и та же.

Большое и малое в других науках.

В одном мгновенье видеть вечность,

Огромный мир - в зерне песка,

В единой горсти - бесконечность

И небо - в чашечке цветка.

У. Блейк

Литература.

Малое и большое употребляются в качественном значении: маленький или большой рост, маленькая или большая семья, родня. Малое обычно противопоставляется большому (принцип антитезы). Литература: малый жанр (новелла, рассказ, сказка, басня, эссе, очерк)

Существует множество пословиц и поговорок, использующих противопоставление или сравнение малого с большим. Вспомним некоторые из них:

О малых результатах при больших затратах:

Из большой тучи, да малая капля.
Стрелять из пушек по воробьям.

О малом наказании за большие грехи:

Это ему - как слону дробина (иголка).

Малое в большом:

Капля в море.
Иголка в стоге сена.

В то же время говорят:

Ложка дёгтя испортит бочку мёда.
Мышь копной не задавишь.
Малая оплошность доводит до большой беды.
Малая течь может погубить большой корабль.
Из малой искры большой пожар разгорается.
От копеечной свечи Москва сгорела.
К апля камень долбит (точит) .

Биология.

«Существо человека содержит все, что есть на небе и на земле, существа высшие и существа низшие».
Каббала

За время существования человечества было предложено множество моделей устройства Вселенной. Существуют различные гипотезы, и каждая из них имеет как своих сторонников, так и противников. В современном мире отсутствует единая, общепризнанная и понятная модель Мироздания. В древнем мире, в отличие от нашего, существовала единая модель окружающего мира. Вселенная представлялась нашим предкам в виде огромного человеческого Тела. Попытаемся понять логику, которой придерживались наши «первобытные» предки:

Тело состоит из органов
Органы – из клеток
Клетки – из органоидов
Органоиды – из молекул
Молекулы – из атомов
Атомы – из элементарных частиц. (Рис. 2).

Так устроены наши тела. Предположим, что Вселенная состоит из аналогичных элементов. Тогда, если мы найдем его Атом, то появится шанс отыскать и все остальное. В 1911 году Эрнест Резерфорд предположил, что атом устроен подобно Солнечной системе. На сегодня это отвергнутая модель, Изображение атома на рис. 2 показывает только центральную часть атома. Атом и Солнечная система целиком представляются сейчас иначе. (Рис. 3, 4)

Различия, конечно есть – их не может не быть. Эти объекты находятся абсолютно в разных условиях. Ученые бьются над созданием Единой теории, но никак не могут соединить в Единое целое Макро и микромиры.

Можно предположит, что если Солнечная система - Атом, тогда наша Галактика – Молекула. Сравните рисунки 5 и 6. Только не пытайтесь отыскать полной схожести этих объектов. В мире нет даже двух одинаковых снежинок. Каждый атом, молекула, органоид, клетка, орган и человек имеет свои индивидуальные особенности. Все процессы, происходящие на уровне молекул органических веществ нашего организма, аналогичны процессам, происходящим на уровне галактик. Различие лишь в размерах этих объектов и в масштабе времени. На уровне галактик все процессы происходят гораздо медленнее.

Следующей «деталью» в этой «конструкции» должен быть Органоид. Что представляют собой органоиды? Это различные по строению, размерам и функциям образования, находящиеся внутри клетки. Состоят они из нескольких десятков или сотен разнообразных молекул. Если органоид в нашей клетке аналогичен Органоиду в макромире, тогда нам следует искать в Космосе скопления различных галактик. Такие скопления действительно имеются, и астрономы называют их группами или семействами галактик. Наша галактика, Млечный путь, входит в Местное семейство галактик, которое включает в себя две подгруппы:
1. Подгруппу Млечного пути (справа)
2. Подгруппу Туманности Андромеды (слева) (Рис. 8).

Не стоит обращать внимание на некоторое несоответствие в пространственном расположении молекул рибосомы (Рис. 8) и галактик в Местной группе (Рис. 9). Молекулы, как и галактики, постоянно перемещаются в определенном объеме. Рибосома является органоидом без оболочки (мембраны), поэтому мы не видим в окружающем нас космическом пространстве «плотной» стены галактик. Впрочем, мы не видим и оболочек Космических Клеток.

Процессы, происходящие в наших органоидах, аналогичны процессам, происходящим в группах и семействах галактик. Но в Космосе они совершаются гораздо медленнее, чем у нас. То, что воспринимается в космосе как Секунда - для нас тянется почти десять наших лет!

Следующим объектом поисков была Космическая Клетка. В нашем теле имеется множество различных по размерам, строению и функциям клеток. Но почти все они имеют нечто общее в своей организации. Они состоят из ядра, цитоплазмы, органоидов и мембраны. Аналогичные образования имеются и в Космосе.

Скоплений галактик, похожих на наше, а также других по форме и размеру – великое множество. Но все они группируются вокруг еще более грандиозного скопления галактик с центром в Созвездии Девы. Именно там находится Ядро Космической Клетки. Астрономы, подобные объединения галактик, называют Сверхскоплениями. На сегодня открыто более пятидесяти таких Сверхскоплений галактик, являющихся такими Клетками. Они располагаются вокруг нашего Сверхскопления галактик - равномерно во все стороны.

За пределы этих соседних Сверхскоплений галактик современные телескопы пока не проникают. Но, используя широко применяемый в древности Закон Аналогии, можно предположить, что все эти Сверхскопления галактик (Клетки) составляют какой-то Орган, а совокупность Органов составляет само Тело.

Именно поэтому многие учёные выдвигают гипотезы, что Вселенная является не только подобием тела человека, но и каждый человек является подобием целой Вселенной.

ПРАКТИЧЕСКАЯ ЧАСТЬ.

Научно-техническое творчество молодёжи –

Путь к обществу, основанному на знаниях.
Школьник понимает физический опыт

только тогда хорошо, когда он его делает сам.

Но еще лучше он понимает его, если сам делает

прибор для эксперимента.

П.Л.Капица

Метапредметное учебное занятие "Большое и малое» с использованием интерактивной доски.

Скажи мне – и я забуду.

Покажи мне – и я запомню.

Дай мне действовать самому – и я научусь.

Китайская народная мудрость
Часто низкая успеваемость объясняется невнимательностью, причина которой – в незаинтересованности ученика. Используя интерактивную доску, у учителей появляется возможность привлечь и успешно использовать внимание класса. Когда на доске появляется текст или изображение, то у ученика стимулируется одновременно несколько видов памяти. Мы можем максимально эффективно организовать постоянную работу учащегося в электронном виде. Это значительно экономит время, стимулирует развитие мыслительной и творческой активности, включает в работу всех учащихся, находящихся в классе.

Интерфейс программы очень прост, поэтому разобраться в ней не составит никакого труда.

Программа состоит из двух частей: вспомогательного материала и сборника заданий для учеников.

В разделе программы

«Вспомогательные материалы»

сможете найти таблицы величин; весы, которые смогут помочь детям разобраться с темой «показатель степени»; снимки и схемы физических тел, похожих по форме, но сильно отличающихся друг от друга по размерам.

В сборнике заданий Вы сможете проверить учащихся на знание темы «Большое и малое». Здесь присутствуют 3 вида заданий: составление таблицы (перемещение строк в ячейки); вопросы, связанные и массами тел (в каком положении установятся весы), упорядочивание величин. Программа может сама проверить правильность выполнения заданий и выдать соответствующее сообщение на экран.

Заключение

Как мир меняется! И как я сам меняюсь!
Лишь именем одним я называюсь.
На самом деле то, что именуют мной, -
Не я один. Нас много. Я - живой...
Звено в звено и форма в форму...
Н. Заболоцкий

Результаты, полученные в ходе выполнения работы , показали, что господство симметрии в природе, прежде всего, объясняется силой тяготения, действующей во всей Вселенной. Действием тяготения или отсутствием такового объясняется то, что и Космические тела, плывущие во Вселенной, и Микроорганизмы, взвешенные в воде, обладают высшей Формой симметрии - сферической (при любом повороте относительно центра фигура совпадает сама с собой). Все организмы, растущие в прикрепленном состоянии или живущие на дне океана, т. е. организмы, для которых направление силы тяжести является решающим, имеют ось симметрии (множество всевозможных поворотов вокруг центра сужается до множества всех поворотов вокруг вертикальной оси). Более того, поскольку эта сила действует повсюду во Вселенной, то и предполагаемые космические пришельцы не могут быть безудержно чудовищами, как их порой изображают, а обязательно должны быть симметричными.

Практической частью нашей работы стала программа «Большое и малое» для метапредметного учебного занятия с использованием интерактивной доски . Используя интерактивную доску, мы можем максимально эффективно организовать постоянную работу учащегося в электронном виде. Это значительно экономит время, стимулирует развитие мыслительной и творческой активности, включает в работу всех учащихся, находящихся в классе.

Работа содержит три приложения : 1) Программу для метапредметного учебного занятия по физике с использованием интерактивной доски; 2) Буклет «Учебное занятия по физике «Большое и малое»; 3) Буклет с уникальными фотографиями «Микро-, макро- и мега- миры» .

Список литературы

Ващекин Н.П., Лось В.А., Урсул А.Д. «Концепции современного естествознания», М.: МГУК,2000.
Горелов А.А. «Концепции современного естествознания », М.: Высшее образование, 2006.
Козлов Ф.В. Справочник по радиационной безопасности.- М.: Энергоатом – издат., 1991.
Криксунов Е.А., Пасечник В.В., Сидорин А.П., Экология, М., Издательский дом "Дрофа", 1995.
Поннамперума С. «Происхождение жизни», М., Мир, 1999 г.
Сивинцев Ю.В. Радиация и человек. - М.: Знание, 1987.
Хотунцев Ю.М. Экология и экологическая безопасность. - М.: АСADEMA, 2002.
Горелов А.А. Концепции современного естествознания. – М.: Центр,1998.
Горбачев В.В. Концепции современного естествознания: Учеб. пособ. для студентов вузов. – М., 2005. – 672 с.
Карпенков С.Х. Концепции современного естествознания - М.: 1997.
Квасова И.И. Учебное пособие по курсу "Введение в философию".М., 1990.
Лавриенко В.Н. Концепции современного естествознания - М.: ЮНИТИ.
Л. Ш и ф ф, Сб. "Новейшие проблемы гравитации", М., 1961.
Я. Б. Зельдович, Вопр. космогонии, т. IX, М., 1963.
Б. Понтекорво, Я. Смородинский, ЖЭТФ, 41, 239, 1961.
Б. Понтекорво, Вопр. космогонии, т. IX, М., 1963.
В. Паули, Сб. "Нильс Бор и развитие физики", М., 1958.
Р. Иост. Сб. "Теоретическая физика 20 века", М., 1962.
Р. Маршак, Э. Судершан, Введение в физику элементарных частиц, М. 1962
Е. Горшунова, А. Таразанов, И. Афанасьева «Большое космическое путешествие», 2011

Приложение 1.

Рабочий лист к метапредметному занятию по теме «Большое и малое»

с использованием интерактивной доски
Не огромность мира звёзд вызывает восхищение,

а человек, который измерил его.

Блез Паскаль

Физическая величина - _____________________________________________________

_________________________________________________________________________
Измерить физическую величину - ____________________________________________

__________________________________________________________________________

Приложение 2.

Диапазон расстояний во Вселенной

м	расстояние
10 27	границы Вселенной
10 24	ближайшая Галактика
10 18	ближайшая звезда
10 13	расстояние Земля - Солнце
10 9	расстояние Земля - Луна
1	рост человека
10 -3	крупинка соли
10 -10	радиус атома водорода
10 -15	радиус атомного ядра

Диапазон временных интервалов во Вселенной

с	время
10 18	возраст Вселенной
10 12	возраст египетских пирамид
10 9	среднее время жизни человека
10 7	один год
10 3	свет идёт от Солнца до Земли
1	интервал между двумя ударами сердца
10 -6	период колебаний радиоволн
10 -15	период колебаний атома
10 -24	свет проходит расстояние, равное размеру атомного ядра

Диапазон масс во Вселенной

кг	масса
10 50	Вселенная
10 30	Солнце
10 25	Земля
10 7	океанский корабль
10 2	человек
10 -13	капелька масла
10 -23	атом урана
10 -26	протон
10 -30	электрон

Рис. 1. Характерное время и размеры некоторых объектов и процессов Вселенной.

Приложение 3.

. Человек. . Органы. . Клетки. . . . Органоиды. Молекулы. . Атом. . . Частицы атома

Рис 2. Строение тела человека

Как говорится - «найдите различия». Дело даже не во внешнем сходстве этих объектов, хотя оно и «на лицо». Раньше мы электроны сравнивали с планетами, а надо было с кометами.

Рис 7. Строение Вселенной.


Рис. 12 Нервная ткань	Рис. 13 Ранняя Солнечная Система

Рис. 14 Фотографии Вселенной с телескопа Hubble	Рис. 15 Этапы развития клетки простейших


Рис. 16 Схематичное изображение клетки	Рис. 17 Строение Земли	Рис.18 Земля

Приложение 4.

Метапредметное учебное занятие по физике

Неделя физики и химии

Неделя физики и химии

Метапредметное учебное занятие по физике, 8Б

Метапредметное учебное занятие по физике

ФОТООТЧЁТ

ФОТООТЧЁТ

НТТМ ЗАО 2012

Всероссийский Фестиваль науки 2011

Стенд «Микро-, макро- и мега- миры»

«Большое космическое путешествие"

Стенд «Большое космическое путешествие»

Наши буклеты.

Микро-, макро- и мегамиры.

Материя – это бесконечное множество всех существующих в мире объектов и систем, субстрат любых свойств, связей, отношений и форм движения. В основе представлений о строении материального мира лежит системный подход, согласно которому любой объект материального мира, будь то атом, планета, организм или галактика, может быть рассмотрен как сложное образование, включающее в себя составные части, организованные в целостность.

Современная наука выделяет в мире три структурных уровня.

Микромир – это молекулы, атомы, элементарные частицы - мир предельно малых, непосредственно не наблюдаемых микрообъектов, пространственная разномерность которых исчисляется от 10 -8 до 10 -16 см, а время жизни - от бесконечности до 10 -24 с.

Мегамир - это планеты, звездные комплексы, галактики, метагалактики – мир огромных космических масштабов и скоростей, расстояние в котором измеряется световыми годами, а время существования космических объектов - миллионами и миллиардами лет.

И хотя на этих уровнях действуют свои специфические закономерности, микро-, макро - и мегамиры теснейшим образом взаимосвязаны.

На микроскопическом уровне физика сегодня занимается изучением процессов, разыгрывающихся на длинах порядка 10 в минус восемнадцатой степени см., за время - порядка 10 в минус двадцать второй степени с. В мегамире ученые с помощью приборов фиксируют объекты, удаленные от нас на расстоянии около 9-12 млрд. световых лет.

Микромир.

Демокритом в античности была выдвинута Атомистическая гипотеза строения материи. Благодаря трудам Дж. Дальтона стали изучаться физико-химические свойства атома. В XIX в. Д. И. Менделеев построил систему химических элементов, основанную на их атомном весе.

В физику представления об атомах как о последних неделимых структурных элементах материи пришли из химии. Собственно физические исследования атома начинаются в конце XIX в., когда французским физиком А. А. Беккерелем было открыто явление радиоактивности, которое заключалось в самопроизвольном превращении атомов одних элементов в атомы других элементов. В 1895 г. Дж. Томсон открыл электрон - отрицательно заряженную частицу, входящую в состав всех атомов. Поскольку электроны имеют отрицательный заряд, а атом в целом электрически нейтрален, то было сделано предположение о наличии помимо электрона и положительно заряженной частицы. Существовало несколько моделей строения атома.

Выявлены специфические качества микрообъектов, выражающиеся в наличии у них как корпускулярных (частицы), так и световых (волны) свойств. Элементарные частицы – простейшие объекты микромира, взаимодействующие как единое целое. Известно более 300 разновидностей. В первой половине ХХ в. были открыты фотон, протон, нейтрон, позднее – нейтрино, мезоны и другие. Основные характеристики элементарных частиц: масса, заряд, среднее время жизни, квантовые числа. Все элементарные частицы, абсолютно нейтральны, имеют свои античастицы - элементарные частицы, обладающие теми же характеристиками, но отличающиеся знаками электрического заряда. При столкновении частиц происходит их уничтожение (аннипиляция).

Стремительно возрастает количество открытых элементарных частиц. Их объединяют в «семейства» (мультиплеты), «роды» (супермультиплеты), «племена» (адроны, лептоны, фотоны и т.п.). Некоторые частицы группируются по принципу симметрии. Например, триплет из трёх частиц (кварков) и триплет из трёх античастиц (антикварков). К концу ХХ века физика приблизилась к созданию стройной теоретической системы, объясняющей свойства элементарных частиц. Предложены принципы, позволяющие дать теоретический анализ многообразия частиц, их взаимопревращений, построить единую теорию всех видов взаимодействий.

Макромир.

В истории изучения природы можно выделить два этапа: донаучный и научный. Донаучный, или натурфилософский, охватывает период от античности до становления экспериментального естествознания в XVI-XVII вв. Наблюдаемые природные явления объяснялись на основе умозрительных философских принципов. Наиболее значимой для последующего развития естественных наук была концепция дискретного строения материи атомизм, согласно которому все тела состоят из атомов - мельчайших в мире частиц.

Со становления классической механики начинается научный этап изучения природы. Формирование научных взглядов на строение материи относится к XVI в., когда Г.Галилеем была заложена основа первой в истории науки физической картины мира - механической. Он не просто обосновал гелиоцентрическую систему Н. Коперника и открыл закон инерции, а разработал методологию нового способа описания природы - научно-теоретического. Суть его заключалась в том, что выделялись только некоторые физические и геометрические характеристики, которые становились предметом научного исследования. И. Ньютон, опираясь на труды Галилея, разработал строгую научную теорию механики, описывающую и движение небесных тел, и движение земных объектов одними и теми же законами. Природа рассматривалась как сложная механическая система. В рамках механической картины мира, разработанной И. Ньютоном и его последователями, сложилась дискретная (корпускулярная) модель реальности. Материя рассматривалась как вещественная субстанция, состоящая из отдельных частиц - атомов или корпускул. Атомы абсолютно прочны, неделимы, непроницаемы, характеризуются наличием массы и веса. Существенной характеристикой ньютоновского мира было трехмерное пространство евклидовой геометрии, которое абсолютно постоянно и всегда пребывает в покое. Время представлялось как величина, не зависящая ни от пространства, ни от материи. Движение рассматривалось как перемещение в пространстве по непрерывным траекториям в соответствии с законами механики. Итогом ньютоновской картины мира явился образ Вселенной как гигантского и полностью детерминированного механизма, где события и процессы являют собой цепь взаимозависимых причин и следствий.

Эксперименты английского естествоиспытателя М. Фарадея и теоретические работы английского физика Дж. К. Максвелла окончательно разрушили представления ньютоновской физики о дискретном веществе как единственном виде материи и положили начало электромагнитной картине мира. Явление электромагнетизма открыл датский естествоиспытатель X. К. Эрстед, который впервые заметил магнитное действие электрических токов. Продолжая исследования в этом направлении, М. Фарадей обнаружил, что временное изменение в магнитных полях создает электрический ток. М. Фарадей пришел к выводу, что учение об электричестве и оптика взаимосвязаны и образуют единую область. Его работы стали исходным пунктом исследований Дж. К. Максвелла, заслуга которого состоит в математической разработке идей М. Фарадея о магнетизме и электричестве. Максвелл «перевел» модель силовых линий Фарадея в математическую формулу. Понятие «поле сил» первоначально складывалось как вспомогательное математическое понятие. Дж. К. Максвелл придал ему физический смысл и стал рассматривать поле как самостоятельную физическую реальность: «Электромагнитное поле - это та часть пространства, которая содержит в себе и окружает тела, находящиеся в электрическом или магнитном состоянии» .

Мегамир.

Мегамир или космос, современная наука рассматривает как взаимодействующую и развивающуюся систему всех небесных тел.

Все существующие галактики входят в систему самого высокого порядка - Метагалактику. Размеры Метагалактики очень велики: радиус космологического горизонта составляет 15- 20 млрд. световых лет. Понятия «Вселенная» и «Метагалактика» - очень близкие понятия: они характеризуют один и тот же объект, но в разных аспектах. Понятие «Вселенная» обозначает весь существующий материальный мир; понятие «Метагалактика» - тот же мир, но с точки зрения его структуры - как упорядоченную систему галактик.

Современные космологические модели Вселенной основываются на общей теории относительности А. Эйнштейна, согласно которой метрика пространства и времени определяется распределением гравитационных масс во Вселенной. Ее свойства как целого обусловлены средней плотностью материи и другими конкретно-физическими факторами. Время существования Вселенной бесконечно, т.ё. не имеет ни начала, ни конца, а пространство безгранично, но конечно.

В 1929 году американский астроном Э.П. Хаббл обнаружил существование странной зависимости между расстоянием и скоростью галактик: все галактики движутся от нас, причем со скоростью, которая возрастает пропорционально расстоянию, - система галактик расширяется. Расширение Вселенной считается научно установленным фактом. Согласно теоретическим расчетам Ж. Леметра, радиус Вселенной в первоначальном состоянии был 10 -12 см, что близко по размерам к радиусу электрона, а ее плотность составляла 10 96 г/см 3 . В сингулярном состоянии Вселенная представляла собой микрообъект ничтожно малых размеров. От первоначального сингулярного состояния Вселенная перешла к расширению в результате Большого взрыва.

Ретроспективные расчеты определяют возраст Вселенной в 13-20 млрд. лет. Г.А. Гамов предположил, что температура вещества была велика и падала с расширением Вселенной. Его расчеты показали, что Вселенная в своей эволюции проходит определенные этапы, в ходе которых происходит образование химических элементов и структур. В современной космологии для наглядности начальную стадию эволюцию Вселенной делят на “эры” :

Эра адронов. Тяжелые частицы, вступающие в сильные взаимодействия;

Эра лептонов. Легкие частицы, вступающие в электромагнитное взаимодействие;

Фотонная эра. Продолжительность 1 млн. лет. Основная доля массы - энергии Вселенной - приходится на фотоны;

Звездная эра. Наступает через 1 млн. лет после зарождения Вселенной. В звездную эру начинается процесс образования протозвезд и протогалактик.

Затем разворачивается грандиозная картина образования структуры Метагалактики.

В современной космологии наряду с гипотезой Большого взрыва весьма популярна инфляционная модель Вселенной, в которой рассматривается творение Вселенной. Идея творения имеет очень сложное обоснование и связана с квантовой космологией. В этой модели описывается эволюция Вселенной, начиная с момента 10 -45 с после начала расширения. В соответствии с инфляционной гипотезой космическая эволюция в ранней Вселенной проходит ряд этапов.

Начало Вселенной определяется физиками-теоретиками как состояние квантовой супергравитации с радиусом Вселенной в 10 -50 см

Стадия инфляции. В результате квантового скачка Вселенная перешла в состояние возбужденного вакуума и в отсутствие в ней вещества и излучения интенсивно расширялась по экспоненциальному закону. В этот период создавалось само пространство и время Вселенной. За период инфляционной стадии продолжительностью 10 -34 . Вселенная раздулась от невообразимо малых квантовых размеров 10 -33 до невообразимо больших 10 1000000 см, что на много порядков превосходит размер наблюдаемой Вселенной - 10 28 см. Весь этот первоначальный период во Вселенной не было ни вещества, ни излучения.

Переход от инфляционной стадии к фотонной. Состояние ложного вакуума распалось, высвободившаяся энергия пошла на рождение тяжелых частиц и античастиц, которые, проаннигилировав, дали мощную вспышку излучения (света), осветившего космос.

Этап отделения вещества от излучения: оставшееся после аннигиляции вещество стало прозрачным для излучения, контакт между веществом и излучением пропал. Отделившееся от вещества излучение и составляет современный реликтовый фон, теоретически предсказанный Г. А. Гамовым и экспериментально обнаруженный в 1965 г.

В дальнейшем развитие Вселенной шло в направлении от максимально простого однородного состояния к созданию все более сложных структур - атомов (первоначально атомов водорода), галактик, звезд, планет, синтезу тяжелых элементов в недрах звезд, в том числе и необходимых для создания жизни, возникновению жизни и как венца творения - человека.

Различие между этапами эволюции Вселенной в инфляционной модели и модели Большого взрыва касается только первоначального этапа порядка 10 -30 с, далее между этими моделями принципиальных расхождений в понимании этапов космической эволюции нет.

Вселенной на самых разных уровнях, от условно элементарных частиц и до гигантских сверхскоплений галактик, присуща структурность. Современная структура Вселенной является результатом космической эволюции, в ходе которой из протогалактик образовались галактики, из протозвезд – звезды, из протопланетного облака – планеты.

Метагалактика – представляет собой совокупность звездных систем – галактик, а ее структура определяется их распределение в пространстве, заполненном чрезвычайно разреженным межгалактическим газом и пронизываемом межгалактическими лучами. Согласно современным представлениям, для метагалактики характерно ячеистая (сетчатая, пористая) структура. Возраст Метагалактики близок к возрасту Вселенной, поскольку образование структуры приходиться на период, следующий за разъединением вещества и излучение. По современным данным, возраст Метагалактики оценивается в 15 млрд. лет.

Галактика – гигантская система, состоящая из скоплений звезд и туманностей, образующих в пространстве достаточно сложную конфигурацию.

По форме галактики условно распределяются на три типа: эллиптические, спиральные, неправильные.

Звезды. На современном этапе эволюции Вселенной вещество в ней находится преимущественно в звездном состоянии. 97% вещества в нашей Галактике сосредоточено в звездах, представляющих собой гигантские плазменные образования различной величины, температуры, с разной характеристикой движения. У многих других галактик, если не у большинства, «звездная субстанция» составляет более чем 99,9% их массы. Возраст звезд меняется в достаточно большом диапазоне значений: от 15 млрд. лет, соответствующих возрасту Вселенной, до сотен тысяч - самых молодых. Есть звезды, которые образуются в настоящее время и находятся в протозвездной стадии, т.е. они еще не стали настоящими звездами. На завершающем этапе эволюции звезды превращаются в инертные («мертвые») звезды. Звезды не существуют изолированно, а образуют системы.

Солнечная система представляет собой группу небесных тел, весьма различных по размерам и физическому строению. В эту группу входят: Солнце, девять больших планет, десятки спутников планет, тысячи малых планет (астероидов), сотни комет и бесчисленное множество метеоритных тел, движущихся как роями, так и в виде отдельных частиц. Все эти тела объединены в одну систему благодаря силе притяжения центрального тела - Солнца. Солнечная система является упорядоченной системой, имеющей свои закономерности строения. Единый характер Солнечной системы проявляется в том, что все планеты вращаются вокруг Солнца в одном и том же направлении и почти в одной и той же плоскости. Солнце, планеты, спутники планет вращаются вокруг своих осей в том же направлении, в котором они совершают движение по своим траекториям. Закономерно и строение Солнечной системы: каждая следующая планета удалена от Солнца примерно в два раза дальше, чем предыдущая.

Издавна люди пытались найти объяснение многообразию и причудливости мира. Изучение материи и её структурных уровней является необходимым условием формирования мировоззрения, независимо от того, окажется ли оно, в конечном счете, материалистическим или идеалистическим.

Достаточно очевидно, что очень важна роль определения понятия материи, понимания последней как неисчерпаемой для построения научной картины мира, решения проблемы реальности и познаваемости объектов и явлений микро, макро и мега миров.

Список использованной литературы

1. Ващекин Н.П., Лось В.А., Урсул А.Д. «Концепции современного естествознания», М.: МГУК, 2000.

2. Горелов А.А. «Концепции современного естествознания », М.: Высшее образование, 2006.

3. Козлов Ф.В. Справочник по радиационной безопасности.- М.: Энергоатом – издат, 1991.

4. Криксунов Е.А., Пасечник В.В., Сидорин А.П., Экология, М., Издательский дом "Дрофа", 1995.

5. Поннамперума С. «Происхождение жизни», М., Мир, 1999 г.

6. Сивинцев Ю.В. Радиация и человек. - М.: Знание, 1987.

7. Хотунцев Ю.М. Экология и экологическая безопасность. - М.: АСADEMA, 2002.

Репетиторство

Нужна помощь по изучению какой-либы темы?

Наши специалисты проконсультируют или окажут репетиторские услуги по интересующей вас тематике.
Отправь заявку с указанием темы прямо сейчас, чтобы узнать о возможности получения консультации.