Шпаргалки по концепции современного естествознания

Переходы от одной научной парадигмы к другой Т.Кун сравнивал с обращением людей в новую религиозную веру: мир привычных объектов предстает в совершенно новом свете благодаря решительному пересмотру исходных объяснительных принципов. Подобная аналогия понадобилась Т.Куну главным образом для того, чтобы подчеркнуть, что исторически весьма быстрая смена парадигм не может быть истолкована строго рационально. Утверждение новой парадигмы осуществляется в условиях мощного противодействия сторонников прежней парадигмы. Причем новаторских подходов может оказаться несколько. Поэтому выбор принципов, которые составят будущую успешную парадигму, осуществляется учеными не столько на основании логики или под давлением эмпирических фактов, сколько в результате внезапного озарения, просветления, иррационального акта веры в то, что мир устроен именно так, а не иначе.

 

56 вопрос. Концепция научно-исследовательских программ И.Лакатоса о закономерностях развитии науки.

Альтернативную Томасу Куну модель развития науки, тоже ставшую весьма популярной, предложил родившийся в Венгрии, но с 1958 года работавший в Англии математик, логик Имре Лакатос (1922-1974). Его концепция, названная методологией научно-исследовательских программ, по своим общим контурам довольно близка к концепции Т.Куна, однако расходится с ней в принципиальнейшем пункте. Лакатос считает, что выбор научным сообществом одной из многих конкурирующих исследовательских программ может и должен осуществляться рационально, то есть на основе четких рациональных критериев.

В общем виде его модель развития науки может быть описана так. Исторически непрерывное развитие науки представляет собой конкуренцию научно-исследовательских программ, которые имеют следующую структуру:

- «Жестокое ядро»,  включающее неопровержимые для  сторонников программы исходные положения.

- «Негативная эвристика» - своеобразный «защитный пояс»  ядра программы, состоящий из  вспомогательных гипотез и допущений,  снимающих противоречия с аномальными  фактами. (Допустим, что наблюдения  свидетельствуют об отклонении движения планет от реальных орбит, рассчитанных небесной механикой. В этом случае законы механики подвергаются сомнению в самую последнюю очередь. Вначале же в ход идут гипотезы и допущения «защитного пояса»: можно предположить, что неточны измерения, ошибочны расчеты, присутствуют некоторые возмущающие факторы - например, неоткрытые планеты).

- «Позитивная эвристика» - «…это правила, указывающие,  какие пути надо избирать и  как по ним идти». Иными словами,  это ряд доводов, предположений,  направленных на то, чтобы изменять и развивать «опровержимые варианты» исследовательской программы. В результате эта программа предстает не как изолированная теория, а как серия модифицирующихся (изменяющихся) теорий, в основе которых лежат единые исходные принципы.

 

 

57 вопрос. Ведущие критерии классификации микрочастиц.

Элементарная частица  — собирательный термин, относящийся  к микрообъектам в субъядерном  масштабе, которые невозможно расщепить  на составные части.

По величине спина (спин- собственный момент импульса элементарных частиц)

Все элементарные частицы  делятся на два класса:

бозоны — частицы  с целым спином (например, фотон, глюон, мезоны, бозон Хиггса).

фермионы — частицы  с полуцелым спином (например, электрон, протон, нейтрон, нейтрино);

По видам взаимодействий элементарные частицы делятся на следующие группы:

Составные частицы:

адроны — частицы, участвующие во всех видах фундаментальных  взаимодействий. Они состоят из кварков  и подразделяются, в свою очередь, на:

- мезоны — адроны  с целым спином, то есть являющиеся бозонами;

- барионы — адроны  с полуцелым спином, то есть  фермионы. К ним, в частности,  относятся частицы, составляющие  ядро атома, — протон и нейтрон.

Фундаментальные (бесструктурные) частицы:

-  лептоны — фермионы, которые имеют вид точечных  частиц (то есть не состоящих ни из чего) вплоть до масштабов порядка 10−18 м. Не участвуют в сильных взаимодействиях. Участие в электромагнитных взаимодействиях экспериментально наблюдалось только для заряженных лептонов (электроны, мюоны, тау-лептоны) и не наблюдалось для нейтрино. Известны 6 типов лептонов.

- кварки — дробнозаряженные  частицы, входящие в состав  адронов. В свободном состоянии  не наблюдались (для объяснения  отсутствия таких наблюдений  предложен механизм конфайнмента). Как и лептоны, делятся на 6 типов и считаются бесструктурными, однако, в отличие от лептонов, участвуют в сильном взаимодействии.

- калибровочные бозоны  — частицы, посредством обмена  которыми осуществляются взаимодействия:

- фотон — частица,  переносящая электромагнитное взаимодействие;

восемь глюонов —  частиц, переносящих сильное взаимодействие;

три промежуточных векторных  бозона W+, W− и Z0, переносящие слабое взаимодействие;

гравитон — гипотетическая частица, переносящая гравитационное взаимодействие. Существование гравитонов, хотя пока не доказано экспериментально в связи со слабостью гравитационного взаимодействия, считается вполне вероятным; однако гравитон не входит в Стандартную модель элементарных частиц.

Адроны и лептоны  образуют вещество. Калибровочные бозоны — это кванты разных типов взаимодействий.

Кроме того, в Стандартной  модели с необходимостью присутствует хиггсовский бозон, первые экспериментальные  указания на существование которого появились в 2012 году.

 

58 вопрос. Общая  характеристика четырех видов  фундаментальных взаимодействий в природе.

Фундаментальные взаимодействия — качественно различающиеся  типы взаимодействия элементарных частиц и составленных из них тел.

На сегодня достоверно известно существование четырех  фундаментальных взаимодействий:

- гравитационного (Это взаимодействие носит универсальный характер, в нем участвуют все виды материи, все объекты природы, все элементарные частицы! Общепринятой классической (не квантовой) теорией гравитационного взаимодействия является эйнштейновская общая теория относительности. Гравитация определяет движение планет в звездных системах, играет важную роль в процессах, протекающих в звездах, управляет эволюцией Вселенной, в земных условиях проявляет себя как сила взаимного притяжения);

- электромагнитного (В электромагнитном взаимодействии участвуют все заряженные тела, все заряженные элементарные частицы. Классической теорией электромагнитного взаимодействия является максвелловская электродинамика. В качестве константы связи принимается заряд электрона e. Если рассмотреть два покоящихся точечных заряда q1 и q2 , то их электромагнитное взаимодействие сведется к известной электростатической силе. Это означает, что взаимодействие является дальнодействующим и медленно спадает с ростом расстояния между зарядами);

- сильного (Сильное взаимодействие ответственно за устойчивость атомных ядер. Поскольку атомные ядра большинства химических элементов стабильны, то ясно, что взаимодействие, которое удерживает их от распада, должно быть достаточно сильным. Хорошо известно, что ядра состоят из протонов и нейтронов. Чтобы положительно заряженные протоны не разлетелись в разные стороны, необходимо наличие сил притяжения между ними, превосходящих силы электростатического отталкивания. Именно сильное взаимодействие является ответственным за эти силы притяжения);

- слабого (Это взаимодействие является наиболее слабым из фундаментальных взаимодействий, экспериментально наблюдаемых в распадах элементарных частиц, где принципиально существенными являются квантовые эффекты. Слабое взаимодействие выделяется с помощью следующего правила: если в процессе взаимодействия участвует элементарная частица, называемая нейтрино (или антинейтрино), то данное взаимодействие является слабым).

 

59 вопрос. Современные представления о природе кварков.

Кварк — воображаемая элементарная частица в квантовой хромодинамике, рассматриваемая как составная часть адронов (элементарные частицы, обладающие ядерными силами). Предполагается существование 6 разных видов кварков, для различия которых вводится такое понятие как «аромат». Для краткости кваркам присвоены следующие имена: u-кварк, d-кварк, c-кварк, s-кварк, t-кварк, b-кварк.

Особенностью предполагаемых кварков является то, что они не наблюдаются в природе в свободном  состоянии. Это означает, что они  могли бы быть внутри адронов, но при распаде частиц кварки каким-то образом комбинирвались так, что в результате в продуктах распада видны не кварки, а только какие-то элементарные частицы. Данную ситуацию описывают как конфайнмент, то есть удержание кварков внутри адронов.

Гипотетическим кваркам приписывается электрический заряд, кратный e/3 (где e – элементарный заряд), и спин ½ в единицах постоянной Дирака ħ. Предполагается, что в каждом поколении один кварк обладает зарядом +2/3, а другой — (−1/3). Исходя из значения спина, кварки будут фермионами. Предполагаемые массы кварков точно не определены, поскольку будут зависеть от условий, в которых их вычисляют. В отличие от наблюдаемых в природе элементарных частиц, кварки возможно будут иметь дробный электрический заряд, и участвовать во всех фундаментальных взаимодействиях постулируемых квантовой теорией, включая электромагнитное, гипотетическое слабое, гипотетическое сильное и гравитационное взаимодействия.

 

60 вопрос. Структура Вселенной. Генезис и эволюция звезд.

  Вселенная постоянно расширяется, из-за своей уникальности она ни с чем не может взаимодействовать, она — система систем, и поэтому в её отношении теряют свой смысл такие понятия, как масса, форма, размер.

Во вселенной наблюдается  четкая ячеистая структура. Внутри ячеек пустота — войды. А стенки образованы из сверхскоплений галактик. Эти сверскопления — верхний уровень целой иерархии, затем идут скопления галактик, потом локальные группы галактик, а самый нижний уровень (масштаб 5-200 кпк) — это огромное многообразие самых различных объектов, все они — галактики, но все они различны: это и линзовидные, неправильные, эллиптические, спиральные, с полярным кольцами, с активными ядрами и т. д.

Из них, отдельно стоит  упомянуть квазары, отличающихся очень  высокой светимостью и настолько малым угловым размером, что в течение нескольких лет после открытия их не удавалось отличить от «точечных источников» — звёзд.

Переходя к составу  галактики мы обнаруживаем: темную материю, космические лучи, межзвездный  газ, шаровые скопления, рассеянные скопления, двойные звезды, звездные системы больше кратности, сверхмассивные черные дыры и черные дыры звездной массы, и, наконец, одиночные звезды разного населения.

  Согласно научным  данным, наша вселенная возникла  в результате Большого Взрыва  из точки пространства в котором была сконцентрирована колоссальная энергия. Согласно знаменитой формуле А.Энштейна энергия равна массе умноженной на скорость света в квадрате. Т.е. все кругом,в том числе и мы, видоизмененная энергия.

  Звёздная эволюция  в астрономии — последовательность изменений, которым звезда подвергается в течение её жизни, то есть на протяжении сотен тысяч, миллионов или миллиардов лет, пока она излучает свет и тепло. В течение таких колоссальных промежутков времени изменения оказываются весьма значительными.

Звезда начинает свою жизнь как холодное разрежённое  облако межзвёздного газа, сжимающееся  под действием собственного тяготения  и постепенно принимающее форму  шара. При сжатии энергия гравитации переходит в тепло, и температура  объекта возрастает. Когда температура в центре достигает 15—20 миллионов К, начинаются термоядерные реакции и сжатие прекращается. Объект становится полноценной звездой. Первая стадия жизни звезды подобна солнечной — в ней доминируют реакции водородного цикла[1]. В таком состоянии она пребывает бо́льшую часть своей жизни, находясь на главной последовательности диаграммы Герцшпрунга — Расселла, пока не закончатся запасы топлива в её ядре. Когда в центре звезды весь водород превращается в гелий, образуется гелиевое ядро, а термоядерное горение водорода продолжается на периферии ядра.

В этот период структура  звезды начинает меняться. Её светимость растёт, внешние слои расширяются, а  температура поверхности снижается  — звезда становится красным гигантом, которые образуют ветвь на диаграмме Герцшпрунга-Рассела. На этой ветви звезда проводит значительно меньше времени, чем на главной последовательности. Когда накопленная масса гелиевого ядра становится значительной, оно не выдерживает собственного веса и начинает сжиматься; если звезда достаточно массивна, возрастающая при этом температура может вызвать дальнейшее термоядерное превращение гелия в более тяжёлые элементы (гелий — в углерод, углерод — в кислород, кислород — в кремний, и наконец — кремний в железо).

Изучение звёздной эволюции невозможно наблюдением лишь за одной звездой — многие изменения в звёздах протекают слишком медленно, чтобы быть замеченными даже по прошествии многих веков. Поэтому учёные изучают множество звёзд, каждая из которой находится на определённой стадии жизненного цикла.

 

61 вопрос. Развитие представлений о возникновении жизни.

По современным представлениям, жизнь — это процесс существования  сложных систем, состоящих из больших  органических молекул и неорганических веществ и способных самовоспроизводиться, саморазвиваться и поддерживать свое существование в результате обмена энергией и веществом с окружающей средой.

С накоплением человеком  знаний об окружающем мире, развитием  естествознания изменялись взгляды  на происхождение жизни, выдвигались новые гипотезы. Однако и сегодня вопрос о происхождении жизни еще окончательно не решен. Существует множество гипотез происхождения жизни. Наиболее важными из них являются следующие: