Физика в контексте интеллектуальной культуры кратко

Обновлено: 02.07.2024

Включив в физику астрофизику и космологию, мы естественно раздвигаем ее границы, охватывая все структурные уровни организации материи, все фундаментальные взаимодействия, пространственно-временные отношения, а также динамические и статические закономерности природы. Принципы и законы современной физики приобретают фундаментальное значение в познании Вселенной и феномена Человека, как голограммы Вселенной.

Это позволяет дать определение физике, как науке о наиболее общих структурных уровнях материи, фундаментальных взаимодействиях, пространственно-временных соотношениях, динамических и статических закономерностях Природы, единой теории поля, а, следовательно, как науке о наиболее общих явлениях, законах и принципах познания Природы.

В частном смысле, опираясь на механистическую, релятивистскую и квантово-полевую исследовательские программы, физику можно определить, как науку о движении физических тел, их взаимодействиях и взаимопревращениях, о состояниях на всех структурных уровнях организации неживой материи.

Разрешение этого спора лежит в понимании, что за все проблемы прогресса и регресса цивилизации ответственен человек действующий, опирающийся на культуру или на антикультуру и проявляющий себя в предметно-практических функциях интеллектуальной сферы культуры.

Корпускулярно-волновая концепция материи. Структурные уровни организации материи в рамках современной физики

Мы в изложении физических концепций познания мира будем опираться на объём знаний по физике, полученных Вами в среднем (полном) общем образовании, расширяя их концептуально в рамках релятивистской, квантово-полевой и современной физических исследовательских программ.

Квантово-полевая физическая исследовательская программа опирается на корпускулярно-волновой дуализм материи, выраженный в двойственной природе микрочастиц: корпускула-волна в формулах М. Планка и Луи де Бройля ( и , где – постоянная Планка; W – энергия микрочастицы; w - циклическая частота; – импульс микрочастицы; – волновой вектор, направленный вдоль направления скорости микрочастицы, λ – длина волны.) и обуславливающий двойственность существования материи в форме вещества и фундаментальных полей взаимодействия. В квантово-полевой физической исследовательской программе была установлена дискретность материи в рамках структурных уровней вещества и фундаментальных полей взаимодействия, что подчёркивает особую роль физической структурной организации материи (см. схему 20) в моделировании и познании Мира.

Схема 20. Физическая структурная организация материи.

В модели гипомира в последнее время все чаще используют и теорию струн, которую один из ее разработчиков Д. Гросс считает единственной работоспособной теорией в масштабах шкалы Планка, в основе которой лежат фундаментальные размеры физических констант: скорости света м/с, кванта действия Дж×с и гравитационной постоянной Ньютона м 3 /кг×с 2 , из которых и вытекают определения длины, энергии и времени планкеона в этих фундаментальных единицах. Теория струн представляет собой теорию нового типа, идея которой в том, что струна может принимать множество различных конфигураций и представляет собой значительно более усложненный объект, нежели частица-точка. Может статься, что все наблюдаемые нами частицы – суть просто различные гармоники, различные моды колебаний одной и той же струны. Именно такой подход постулируется теорией струн и считается, что теория струн обладает потенциальной возможностью стать объединяющей теорией всех взаимодействий и структурных уровней материи, то есть сможет объяснить ряд явлений в гипомире и микромире.

Применительно к макромиру и мегамиру подходы, основанные на теории струн, носят пока спекулятивный характер. Однако, по мнению американского физика, лауреата Нобелевской премии Д. Гросса, существенных успехов теория струн как в теоретических, так и в экспериментальных исследованиях природы мира достигнет уже в наступившем XXI-м веке.

Итак, современная физическая исследовательская программа – единая теория поля в поисках теорий Великого объединения всех фундаментальных взаимодействий все время развивается, хотя и встречает на своем пути становления и развития целый ряд сложностей и трудностей.

Так, например, главная проблема в теории струн – это проблема типологии пространства-времени, которая в теории струн может непрерывным образом изменяться. Многие теоретики струн внутренне согласны с Эдвардом Уитменом, сказавшим, что пространство – время обречено, т.е. на смену концепции пространственно-временных отношений должна появиться новая концепция, в которой пространство и время – не первичные, а скорее производные понятия. Главная тактика – надо понять, как зарождается, подобно пространству, время. Как отмечает Д. Гросс, мы не знаем как, и это, крупный камень преткновения на пути разгадки тайн теории струн. Свои тайны таят и другие теории Великого объединения взаимодействий. Вообще тайн природы Мира хватит на много поколений землян как в рамках физики, так и в других естественных наук.

Физика Вселенной

Физика Вселенной изучается космологией – астрофизической теорией структуры и динамики изменения Метагалактики, включающей в себя и определенное понимание свойств всей Вселенной. Выделяют также астрофизику, включая в нее не только космологическую, но и космогоническую науку о структуре и динамике изменения нашей солнечно-планетной системы. Очень часто астрофизические космологические и космогонические теории объединяют в единое понятие физики Мегамира.

Схема 30. Мегамир.

В стандартной модели эволюции на космологическом уровне выделяют основные этапы космической шкалы времени, которые совместно с характерными процессами им соответствующими, приведены фрагментарно в схеме 33.

Схема 33 . Космическая шкала времени в стандартной космологической модели эволюции Вселенной.

Этапы	Характерные процессы	Время от сегодняшнего момента
Название	Космическое время	Температура (К)
1. Начальное состояние Вселенной – сингулярность	Существуют две модели сингулярности точечная (пузырьковая) и струнная. Для обеих моделей характерным является переход к стандартной модели Большого взрыва
2. Большой взрыв	В пузырьковой модели Вселенная от первоначального сингулярного состояния перешла к расширению (около 20 млрд. лет назад). В результате Большого взрыва образовалась не только материя, но и пространство-время, задающее начало рождения Вселенной. В струнной модели задание времени рождения Вселенной оказывается сложной гипотетической задачей. Общим в обеих моделях является существование единого фундаментального взаимодействия.	20 млрд. лет
3. Этап первичного синтеза, включающий в себя следующие эпохи: 3.1 Планка; 3.2 Барионов; 3.3 Адронов; 3.4 Лептонов; 3.5 Синтеза ядер; 3.6 Вещества; 3.7 Прозрачной Вселенной.	10 -42 с 10 -35 с 10 -6 с 10 -3 с 100с 10 4 лет 2×10 5 лет	10 32 10 28 10 14 10 12 10 9	Рождение элементарных частиц, во Вселенной доминирует излучение; установление числа барионов; возникновение асимметрии между материей и антиматерией; аннигиляция протоно-антипротонных пар; аннигиляция электронно-позитронных пар; становление первоначального физико-химического состава Вселенной (ядер водорода -70%, ядер гелия (a-частиц) – 30%); во Вселенной начинает доминировать вещество, состоящее из нейтральных атомов водорода, дейтерия и гелия с небольшой примесью водорода; отделение излучения от вещества.	19,7 млрд. лет
4. Этап формирования галактик, в том числе и нашей галактики, включающий в себя следующие эпохи: 4.1 Начало образования галактик; 4.2 Галактики начинают образовывать скопления; 4.3 Сжатие нашей протогалактики; 4.4 Образование звезд; 4.5 Образование межзвездного облака, давшего начало Солнечной системе; 4.6 Образование планет.	1-2 млрд. лет 3 млрд. лет 4 млрд. лет 4,1 млрд. лет 15,2 млрд. лет 15,4 млрд. лет	2,7	Создание неустойчивостей относительно флуктуаций плотности за счет гравитационного взаимодействия в неравновесной смеси газов из нейтральных атомов и фотонов. Гравитационному коллапсу (полному сжатию) препятствуют вращение и внутреннее давление, причем до отделения излучения от вещества силы давления излучения превышали гравитационные. Критический размер и масса объекта, для которого обе силы (гравитации и внутреннего давления) уравновешиваются, называются длиной и массой Джинса. Если исходный размер объекта превосходит длину Джинса, должна наблюдаться его фрагментация. Если же этот размер меньше длины Джинса, то объект должен коллапсировать как целое. Образование иерархической структуры Вселенной – галактик, их скоплений, с одной стороны, и звезд, шаровых скоплений, планет и т.п., с другой – обусловлено флуктуациями плотности, имеющими различную природу. Формирование галактик сопровождалось возникновением и эволюцией звезд различных масс, в которых путем различного рода ядерных реакций создавались в разных пропорциях легкие, средние и тяжелые элементы.	19 – 18 млрд. лет 17 млрд. лет 16 млрд. лет 15,9 млрд. лет 4,8 млрд. лет 4,6 млрд. лет

Рассмотрим фрагментарно классификацию галактик и звезд (схема 34).

Схема 34 . Классификация галактик.

Наименование	Тип	Масса в массах Солнца
Яркие сверхгигантские галактики	Эллиптические	10 13
Сверхгигантские галактики	Эллиптические и спиральные	10 12 – 10 11
Гигантские и карликовые галактики	Эллиптические, спиральные и неправильные	10 10 – 10 8
Карликовые галактики и пигмеи	Эллиптические	10 7 – 10 6

Млечный путь входит в группу, включающую около двадцати галактик, которую называют Местной. Помимо нашей галактики в неё входит туманность Андромеды – гигантская спиральная галактика (М 31, расстояние до неё 670 килопарсек или 1,5 млн. световых лет, масса - 3×10 11 масс Солнца), Малое Магелланово Облако – неправильная галактика, Большое Магелланово Облако – нечто промежуточное между спиральной и неправильной галактиками (расстояние до них соответственно 63 и 52 килопарсек, их масса соответственно 2×10 9 и 1×10 10 масс Солнца), и ряд неправильных и эллиптических галактик. Диаметр нашей Местной группы галактик 5 млн. световых лет.

Схема 35 . Виды звезд.

Схема 36 . Эволюция звезд

(варианты развития).

Варианты развития звезд:

I. Звезды массой от 1 до 1,2 массы Солнца эволюционируют к белому карлику, который, остывая, превращается в черного карлика.

II. Звезды с массой 2,0 массы Солнца эволюционируют к нейтронной звезде: последняя, если сможет захватить межзвездный газ или вещество двойной звезды, превращается в черную дыру.

III. Звезда с массой более 2,0 массы Солнца эволюционирует к черной дыре через коллапс звезды.

Физические концепции познания мира

Физика в контексте интеллектуальной культуры

Физика Вселенной

Схема 30. Мегамир.

Схема 33 . Космическая шкала времени в стандартной космологической модели эволюции Вселенной.

Этапы	Характерные процессы	Время от сегодняшнего момента
Название	Космическое время	Температура (К)
1. Начальное состояние Вселенной – сингулярность	Существуют две модели сингулярности точечная (пузырьковая) и струнная. Для обеих моделей характерным является переход к стандартной модели Большого взрыва
2. Большой взрыв	В пузырьковой модели Вселенная от первоначального сингулярного состояния перешла к расширению (около 20 млрд. лет назад). В результате Большого взрыва образовалась не только материя, но и пространство-время, задающее начало рождения Вселенной. В струнной модели задание времени рождения Вселенной оказывается сложной гипотетической задачей. Общим в обеих моделях является существование единого фундаментального взаимодействия.	20 млрд. лет
3. Этап первичного синтеза, включающий в себя следующие эпохи: 3.1 Планка; 3.2 Барионов; 3.3 Адронов; 3.4 Лептонов; 3.5 Синтеза ядер; 3.6 Вещества; 3.7 Прозрачной Вселенной.	10 -42 с 10 -35 с 10 -6 с 10 -3 с 100с 10 4 лет 2×10 5 лет	10 32 10 28 10 14 10 12 10 9	Рождение элементарных частиц, во Вселенной доминирует излучение; установление числа барионов; возникновение асимметрии между материей и антиматерией; аннигиляция протоно-антипротонных пар; аннигиляция электронно-позитронных пар; становление первоначального физико-химического состава Вселенной (ядер водорода -70%, ядер гелия (a-частиц) – 30%); во Вселенной начинает доминировать вещество, состоящее из нейтральных атомов водорода, дейтерия и гелия с небольшой примесью водорода; отделение излучения от вещества.	19,7 млрд. лет
4. Этап формирования галактик, в том числе и нашей галактики, включающий в себя следующие эпохи: 4.1 Начало образования галактик; 4.2 Галактики начинают образовывать скопления; 4.3 Сжатие нашей протогалактики; 4.4 Образование звезд; 4.5 Образование межзвездного облака, давшего начало Солнечной системе; 4.6 Образование планет.	1-2 млрд. лет 3 млрд. лет 4 млрд. лет 4,1 млрд. лет 15,2 млрд. лет 15,4 млрд. лет	2,7	Создание неустойчивостей относительно флуктуаций плотности за счет гравитационного взаимодействия в неравновесной смеси газов из нейтральных атомов и фотонов. Гравитационному коллапсу (полному сжатию) препятствуют вращение и внутреннее давление, причем до отделения излучения от вещества силы давления излучения превышали гравитационные. Критический размер и масса объекта, для которого обе силы (гравитации и внутреннего давления) уравновешиваются, называются длиной и массой Джинса. Если исходный размер объекта превосходит длину Джинса, должна наблюдаться его фрагментация. Если же этот размер меньше длины Джинса, то объект должен коллапсировать как целое. Образование иерархической структуры Вселенной – галактик, их скоплений, с одной стороны, и звезд, шаровых скоплений, планет и т.п., с другой – обусловлено флуктуациями плотности, имеющими различную природу. Формирование галактик сопровождалось возникновением и эволюцией звезд различных масс, в которых путем различного рода ядерных реакций создавались в разных пропорциях легкие, средние и тяжелые элементы.	19 – 18 млрд. лет 17 млрд. лет 16 млрд. лет 15,9 млрд. лет 4,8 млрд. лет 4,6 млрд. лет

Рассмотрим фрагментарно классификацию галактик и звезд (схема 34).

Схема 34 . Классификация галактик.

Наименование	Тип	Масса в массах Солнца
Яркие сверхгигантские галактики	Эллиптические	10 13
Сверхгигантские галактики	Эллиптические и спиральные	10 12 – 10 11
Гигантские и карликовые галактики	Эллиптические, спиральные и неправильные	10 10 – 10 8
Карликовые галактики и пигмеи	Эллиптические	10 7 – 10 6

2.2. Корпускулярно-волновая концепция материи. Структурные уровни организации материи в рамках современной физики

Схема 20. Физическая структурная организация материи.

Фундаментальные поля взаимодействия

Гипермир – гипотетическое представление о множественности мегамиров.

Экспериментально не доказано

Мегамир – мир мегаобъектов и мегасостояний больших космических масштабов и скоростей.

Мегаобъекты и мегасистемы: метагалактики, галактики, звезды, планетные системы, планеты, спутники планет, астероиды, кометы, диффузная материя.

Доминирует гравитационное поле взаимодействия.

Кванты поля – гравитоны плюс гравитино (?). Пространство измеряется в астрономических единицах, световых годах и парсеках; время – в миллионах и миллиардах лет.

Макромир – мир макрообъектов и макросостояний, размерность которых соотносима с масштабами жизни на Земле.

Примеры макрообъектов и макросистем: геосферы, города, машины, приборы, физико-химические, геологические, биологические макросистемы.

Доминирует электромагнитное поле взаимодействия. Кванты поля – фотоны. Пространство измеряется в нм, мм, см, м и км; время в секундах (с), минутах (мин.), часах и годах.

Микромир – мир микрообъектов и микросостояний, мир предельно малых измеренных экспериментально масштабов. Пространственные характеристики исчисляются от 10 -10 до 10 -18 м, а время от бесконечности до 10 -24 с.

Доминируют: слабое взаимодействия, ответственное за взаимодействие элементарных частиц при их взаимопревращениях. Ярко проявляются в b - - и b + - распадах; кванты поля: тяжелые промежуточные бозоны;

сильное поле взаимодействия, ответственное за взаимодействие кварков и андронов, кванты поля: глюоны и p-мезоны;

электромагнитное поле взаимодействия ответственное за существование атомов и молекул

Гипомир – гипотетический мир в микромире, идущий еще от Планка.

Пространство и время дискретны: квантуются в рамках представления о модели планкеона:

Однако чтобы научные знания воспринимались учащимися как разумом, как так и сердцем.

Во-первых, необходимо, гибкое и тактичное воздействие на интеллектуальный и эмоциональный мир ученика (с тем, чтобы ему была ясна польза от усвоения физических знаний и представлений и от сознательного участия в самих занятиях физикой).

Во-вторых, преобразование содержание учебного курса, при котором станет очевидной культурная (значит и личностная) ценность физического образования для учащегося. Такое преобразование достигается с помощью историко-научного и социокультурного подходов в рассмотрении фундаментальных физических понятий, идей, представлений. А для этого учителем должны быть реализованы следующие три главных направления.

1. Систематическое привлечение внимания учащихся к таким вопросам: физика как наука (научные знания, ее методы исследований) и как вид деятельности; красота эксперимента и теоретических построений; соотношение рационального и интуитивного в ходе исследований; связь достижений науки с заблуждениями и ошибками; парадоксы в развитии науки; противостояние науки и антинауки; специфика деятельности ученого; польза, получаемая от науки отдельно взятой личностью и всем человечеством.

2. Рассмотрение на уроках взаимодействия науки с другими сторонами жизни человечества, для чего полезно обращаться к следующему: человек как объект физического познания; наука, философия и религия; наука, идеология и политика государства; достижения, методы и оборудование физики в других науках и технике, в разгадывании таинственных явлений; отображение науки в литературе и искусстве; личность ученого и художника; наука и научная жизнь своего края (или республики в целом).

3. Постоянное обращение к материалу о личностях выдающихся деятелей науки. Квалифицированное раскрытие на уроках их творчества становится трепетным прикосновением к тем поучительным образам терпения, мысли, труда и высочайшего профессионализма, которые пробуждают у учащихся романтику поисков своего назначения в жизни, стремление развивать свои наклонности, свои усилия в проектировании собственной профессиональной деятельности в будущем.

Очевидно, подобный взгляд на учебный предмет, своеобразное разрушение замкнутости физической науки и выход ее на учащегося со всеми его интересами и увлечениями, с повседневным бытом достигается при использовании тщательного отобранного, адаптированного к целям гуманитаризации историко-научного, философского материала. В связи с этим, основываясь на своем опыте работы, выскажем ряд рекомендаций методологического характера.

· Философия науки и культурология свидетельствуют о том, что толкование событий в развитии науки вне учета истории культуры приводит к чрезвычайно обедненной, подозрительно прямолинейной и потому не вполне объективной картине человеческих усилий в исследовании природы. Вне показа взаимодействия науки со всеобщей историей, философией и религией, существенно влиявшими на процесс включения научных достижений в жизнь общества и осознание их мировоззренческой и культурной значимости, наши объяснения многих причин победы человеческого разума представляются учащимся несколько схематичными, легковесными и потому надуманными.

· Не менее важно на примерах изучения конкретных учебных тем показать учащимся широкое применение физических знаний, методов в самых разных областях современной деятельности человека, демонстрируя тем самым и одновременно обосновывая значительную культурную ценность физико-математических наук. Особое внимание при этом целесообразно уделять вопросам, имеющим отношение к близким будущим профессиям многих и многих учащихся школ, гимназий и лицеев.

Читайте также: