Лекция 6 Тема: Общие вопросы естествознания (продолжение) Сегодня: ____________________ 2009 г.

Свойства пространства-времени Пространство – время является обобщенной философской категорией. Общие свойства: 1.Пространство и время взаимосвязаны. Это означает, что нет пространства вне времени, и нет времени вне пространства. В настоящее время пространство – время представляется 4-х мерным – это представление ввел математик Минковский (один из основателей неэвклидовых геометрий). Оно характеризуется четырьмя равноправными координатами (х, у, z, t).

Свойства пространства-времени 2. Пространство – время относительно. В общем случае движения объектов со скоростями, близкими к скорости света в вакууме, пространство – время зависит от скорости движения. Примечание. Если скорость движения объекта значительно меньше скорости света в вакууме, то пространство – время может считаться абсолютным и невзаимосвязанным (евклидовым), т.е. независящим от скорости движения объектов друг относительно друга. В пределах классической механики (Галилея – Ньютона) пространство – время является абсолютным и невзаимосвязанным.

Свойства пространства-времени 3. Пространство – время неразрывно связано с движущийся материей, т.е. нет материи вне пространства – времени, как нет пространства без материи. Примечание. Это не означает, что между пространством и временем нет различий.

Свойства пространства-времени Пространство характеризует взаимное расположение тел. В нем возможно движение, как в прямом, так и в обратном направлении осей координат. Пространство имеет три измерения. Время характеризует порядок следования событий (раньше или позже), имеет одно измерение и необратимый характер в плане следования событий. 4. Симметрия и асимметрия. 5. Кривизна пространства.

Симметрия и асимметрия Симметрия и асимметрия пространства – времени являются общими свойствами для всех естественных наук, и это еще один их объединительный фактор. Симметрия – способность твердого тела совмещаться с самим собой в результате движений (поворотов), а также воображаемых операций над его точками и возможность совмещения с отражением в плоском зеркале. Асимметрия – любое нарушение симметрии.

Симметрия и асимметрия Примеры простейших видов симметрии в твердом теле: 1. центр симметрии – точка О (шар); 2. ось симметрии (цилиндр); 3. плоскость симметрии (зеркало).

Симметрия и асимметрия Примеры зеркальной симметрии:

Симметрия и асимметрия Примеры оси симметрии:

Симметрия и асимметрия Примеры симметрии относительно плоскости:

Симметрия и асимметрия Если объекты идентичны своим зеркальным отражениям, то их называют зеркально симметричными. Асимметричными, то есть не подобными своим зеркальным отражениям, могут быть не только наши «правые – левые» руки, предметы, но и молекулы, процессы, химические реакции, атомные или ядерные взаимодействия. Так многие молекулы имеют две зеркально симметричные формы (отсюда и их иное научное название – «хиральные изомеры».

Симметрия и асимметрия Понятие хиральности появилось давно. Лорд Кельвин в 1893 году говорил, что фигуру нужно называть хиральной, «если ее отражение в зеркале не совпадает при наложении (подобно рукам человека)». Да и сам термин «хиральный» связан с рукой, так как происходит от английского слова «chirality» (от греч. «cheir» – рука), родственные слова - хирург, хиромания. Термин был предложен Кельвином в конце XIX века. Как химическое явление хиральность иначе называют оптической изометрией.

Симметрия и асимметрия Примеры использования теории симметрии: 1. Братья Кюри открыли пьезоэлектрики (при деформации которых на гранях появляются нескомпенсированные заряды), используя планомерное рассмотрение групп симметрии кристаллов. Пьезоэлектрики имеют большое применение в технике (сейсморазведка – предсказание землетрясений и т.п.)

Симметрия и асимметрия 2. Академик Шубников, пользуясь понятием симметрии, предугадал возможность создания искусственных пьезоэлектриков с заданными свойствами. 3. Систематизацию кристаллов выполнил геолог Федоров на основе методов симметрии и открыл новые кристаллы за 20 лет до того, как они были найдены в природе.

Симметрия и асимметрия 4. Химики в настоящее время создают полимеры (пластмасса) с заданной структурой решетки. 5. В физике свойства симметрии выражаются в неизменности вида физических законов. Три закона сохранения являются фундаментальными потому, что они связаны с общим свойством пространства – времени, т.е. с его симметрией.

Симметрия и асимметрия Симметрия пространства – времени проявляется в трех его свойствах: однородность пространства (свойства пространства одинаковы во всех его точках); однородность времени (начало отсчета времени можно переносить); изотропность пространства (свойства пространства одинаковы во всех направлениях, оси координат можно поворачивать).

Теорема Нетер 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 (1918 г.). Если свойства системы не меняются относительно какого-либо преобразования переменных, то этому соответствует некоторый закон сохранения.

Теорема Нетер 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.

Теорема Нетер 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).

Теорема Нетер 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.

Симметрия и асимметрия Связь законов сохранения с симметрией пространства-времени: 1. Закон сохранения импульса связан с однородностью пространства. Это означает, что начало координат можно переносить в любую точку пространства, полный импульс закрытой системы не изменится. 2. Закон сохранения энергии связан с однородностью времени. Начало отсчета времени можно переносить.

Симметрия и асимметрия 3. Закон сохранения момента импульса связан с изотропностью пространства. Оси координат можно поворачивать на любой угол, при этом момент импульса закрытой системы остается постоянным. Эти виды симметрии относятся к геометрическим.

Симметрия и асимметрия Помимо геометрического вида симметрии существуют динамический и калибровочный виды симметрии. 4. С динамическим видом симметрии связан закон сохранения электрического заряда (при превращениях элементарных частиц сумма электрических зарядов частиц остается неизменной). Суть электромагнитной калибровочной симметрии состоит в том, что при масштабных преобразованиях силовые характеристики электромагнитного поля (напряженность электрического поля Е и индукция магнитного поля В остаются неизменными. Из этого закона вытекает устойчивость электрона).

Симметрия и асимметрия В теории элементарных частиц симметрия используется следующим образом: большинство частиц (кроме трех, в том числе фотон – частица света) имеют античастицу – это симметрия. частица античастица электрон m e позитрон m е протон m p антипротон m р

Симметрия и асимметрия Симметрия – это понятие, отображающее существующий в объективной действительности порядок, определенное равновесное состояние, относительную устойчивость, пропорциональность и соразмерность между частями целого. Асимметрия – это понятие, которое отражает существующее в объективном мире нарушение порядка, равновесия, относительной устойчивости, пропорциональности и соразмерности между отдельными частями целого, связанное с изменением, развитием и организационной перестройкой.

Асимметрия в неживой природе По мере развития науки и техники стали накапливаться сведения о наличии в природе не только симметрии, но и асимметрии. В кристаллах были обнаружены точечные дефекты (вакансия – свободное место, междоузельный атом); линейные дефекты.

Асимметрия в неживой природе Асимметричные явления: 1. Сверхпроводимость (зависимость сопротивления проводников от температуры). В экспериментах наблюдается скачкообразное уменьшение сопротивления проводников при температурах, близких к абсолютному нулю, и в этом проявляется асимметрия. Само явление сверхпроводимости заключается в скачкообразном уменьшении сопротивления проводников при Т 0.

Асимметрия в неживой природе 2. Лазерное излучение. Асимметрия проявляется в том, что излучение лазера (оптического квантового генератора) является когерентным в отличие от излучения естественных источников. Одинаковость частоты ( ) колебаний излучения и постоянство во времени разности фаз ( ) колебаний являются признаками когерентности излучения. Щелевой газовый лазер высокой мощности российского производства

Асимметрия в неживой природе Колебания называются гармоническими, если они совершаются по закону косинуса или синуса: x 1 = х 01 sin ( t + 1 ) x 2 = х 02 sin ( t + 2 ) = ( 2 – 1 ) = const. – разность фаз колебаний.

Асимметрия в неживой природе В естественных источниках излучение является совокупностью излучений огромного количества атомов, которые излучают квант энергии через 10 8 с в разное время, поэтому разность фаз колебаний постоянно меняется во времени, поэтому оно не является когерентным. Излучение лазера является когерентным, потому что атомы перед излучением накапливаются в одном и том же состоянии и излучение происходит синхронно, имеет узкую направленность и большую мощность.

Симметрия и асимметрия в живой природе По мере накопления сведений было обнаружено, что симметрия и асимметрия присущи живой и неживой природе, и эти свойства находятся в диалектическом единстве как проявление закона диалектики – единства и борьбы противоположностей. В неживой природе преобладает симметрия – это основное состояние неживых систем. Асимметрия приводит к разрушению этого состояния, а иногда к разрушению свойств вещества (накопление дефектов в кристаллах приводит к изменению их свойств или к полному его разрушению). Асимметрия – это элемент динамики развития.

Симметрия и асимметрия в живой природе В живой природе преобладает асимметрия. Симметрия здесь рассматривается как ступень промежуточного развития, изменения при этом могут быть незаметны внешне (элемент статики). Как в живой, так и в неживой природе асимметрия стала рассматриваться как элемент динамики, без которого невозможно изменение состояния и дальнейшее развитие.

Симметрия и асимметрия в живой природе Симметрия и асимметрия – единство статического и динамического в природе. Следует различать симметрию и асимметрию состояния и структуры. Симметрия связана с состоянием равновесия, асимметрия – с его нарушением.

Принципы симметрии 1. Однородность пространства – все точки равноправны; все физические процессы протекают одинаково во всех точках пространства. 2. Изотропность – все направления равноправны, если систему отсчета повернуть на некоторый угол, физические законы не изменятся. 3. Однородность времени – если повторить процесс через некоторый произвольный промежуток времени, его результаты не изменятся. 4. Принцип преобразования движений (или принцип относительности: законы физики имеют одинаковую форму во всех инерциальных системах отсчета (иногда называют принципом инвариантности).

Контроль Пространство – время … 1. не существуют отдельно друг от друга 2. являются формами существования материи 3. неразличимы 4. взаимосвязаны

Контроль В Англии время отсчитывается по Гринвичу, в России по Москве. Какое свойство пространства – времени это позволяет? 1. относительность 2. симметрия 3. асимметрия 4. абсолютность

Контроль Можно ли сказать, что электромагнитное поле – материально? Если да, то почему. 1. нет 2. да, так как переносит энергию 3. да, так как фотоны (частицы электромагнитного излучения) имеют массу покоя 4. да, так как существует три вида материи: вещество, поле, физический вакуум.

Контроль Свойства пространства – времени классической физики: 1. абсолютно 2. не зависимо 3. относительно 4. не связано с движущейся материей

Контроль Связь симметрии и асимметрии с состоянием равновесия: 1. симметрия связана с состоянием равновесия 2. асимметрия связана с нарушением состояния равновесия 3. как симметрия так и асимметрия связаны с нарушением состояния равновесия 4. симметрия и асимметрия связаны с состоянием равновесия

Контроль Связь симметрии и асимметрии с живой и неживой природой 1. условие сохранения неживой природы – преобладание асимметрии 2. условие сохранения живой природы – преобладание симметрии 3. условие сохранения живой и неживой природы – преобладание симметрии 4. условие сохранения неживой природы – преобладание симметрии, живой – асимметрии

Контроль Верные заключения: 1. асимметрия приводит к изменениям; 2. симметрия эти изменения закрепляет; 3. асимметрия в неживой природе не встречается; 4. симметрия в живой природе не встречается.

Контроль В теории элементарных частиц симметрия проявляется в том, что уравнения теории инвариантны по отношению к замене … 1. частиц на античастицы; 2. античастиц на частицы; 3. положительно заряженных частиц на отрицательно заряженные; 4. отрицательно заряженных частиц на положительно заряженные;

Контроль III закон Ньютона относится к … типу законов.

Контроль На соответствие

Контроль Систематизации кристаллов способствовало свойство пространства …

Контроль В большей степени присуще живой природе свойство … 1. симметрии; 2. асимметрии; 3. однородности; 4. изотропности.