Nüüdisaegne füüsikaline maailmapilt (0)

Füüsikalise maailmapildi ajalugu
Füüsikaline maailmapilt ja selle ajalooline areng. -Läbiaegade on olnud erinevaid arvamusi. On arvatud, et Maa on ketta kujuline, mis toetub kilpkonnadele või elevantidele. Selline arvamus tuli piiratud kogemustest. Aristoteles arvutas välja Maa ümbermõõdu, tema teadis, et Maa on kera kujuline. Tuli järeldusele Kuu faaside muutumist jälgides. Lisaks nägi, et vari ei ole ellipsikujuline, nagu kettal peaks olema, vaid oli ringide lõige. Lisaks Põhjanaela erimoodi nägemine lõunapoolustel horisondi kohal madalamal kui põhjapoolustel. Aristoteles arvas , et Maa on maailma keskpunkt ja et teised taevakehad Päike, planeedid ja Kuu liiguvad ümber Maa. M. Kopernik oli esimene, kes ütles et mitte Maa ei ole maailma keskpunkt, vaid seda on Päike. See leidis kinnituse läbi Galilei. Viimaste aastate jooksul on toimuned tormiline areng . Oleme jõudnud arusaamadele, mis toimub Universumis- Päikesesüsteem, Linnutee , teised galaktikad . Lisaks sellele on avastatud ka mikromaailmas tuuma energia ja selle rakendamine- tuumaenergeetika. Korduvaid nähtusi, sellest tulenevaid teadmisi ammame edasi järgnevatele põlvkondadele. Teadusliku meetodi põhieesmärk on üles leida need saladused , mille alusel korduvad nähtused toimuvad.
Nüüdisaegse füüsikalise maailmapildi 5 näidet:
* kiirendi - nähtamatute osakeste nähtavaks muutmine põrgete tagajärjel
*kosmosejaamad mis töötavad pikaajaliselt
* vesinikpomm
* tuumarelv
* taastuv energia kasutusele võtmine
Elementaarosakesed
Elementaarosakesteks nim. mateeria kõige väiksemaid koostisosi, mis käituvad kõigis füüsikalistes protsessides jagamatu tervikuna.
Elementaarosakesed : tugev tuumajõud, nõrk tuumajõud, gravitatsioonijõud, elektromagnetjõud Fundamentaalsed osakesed jagunevad:
* leptonid ( elektron , mioon, neutriino ) ei allu tugevale vastastikmõjule. Peale gravitatsioonijõu mõjutavad neid nõrgad tuumajõud ning laenguga osakesi ka elektromagnetilised jõud.
* hadronid on osakesed mille vastastikmõju on põhjustatud tugevast tuumajõust. Hadronid jagunevad kahte alarühma : a) barüonid (prooton, neutron ), mille büronarv on +1 (antsiosakesed -1)
b) mesonid (pioon, kaoon), mille barüonarv on
* vahebosonid ( footon , W- ja 2-osakesed) osalevad elektromagnetilises ( footon) või nõrgas (W- ja 2-osakeesed) vastastikmõjus.
Positron on positiivne elektron. Annihileerumine- osakeste ja antiosakeste hävimine nende kohtumisel .
Elementaarosakestele on omane vastastikune muundumine .
Väljana käsitletakse neid mida ei saa mingite samasuguste osakeste abil kirjeldada ( lepton, hadron ). Väljatugevus on pöördvõrdeline kauguse ruuduga .
1960. A S. Weinberg , S. Glashow ja A. Sallas näitasid, et nõrk vastasikmõju ja elektromagnetiline vastastikmõju on tegelikult ühe fundamentaalsema- elektronõrga- vastastikmõju kaks erinevat ilmingut. Tugevat vastastikmõju õnnestus seletada aga nn. kvantkromodünaamilise teooriaga, mille järgi tuumajõud tekivad värvilaengute vastastikmõjus.
Kromodünaamika koos elektronõrga vastastikmõju teooriaga moodustavad nn standardmudeli. Tugev tuumajõud kahaneb suurte energiate juures.
Pauli keeluprintsiip: ei luba kaht osakest viibida ühes ja samas kvantolekus , see tähendab et neil ei või olla sama koordinaat ning sama kiirus.
Elementaarosakeste alguseks loetakse 1935a. mil Jaapani füüsik Hideki Yukawa ennustas uue osakese olemasolu, mille mass pidi olema umbes 200* elektroni massist suurem ning mis oleks aidanud seletada tugevat vastasikmõju.
Väga suurte energiate juures on kõik kolm vastasikmõju praktiliselt eristamatud- nim. Suureks Ühendteooriaks ( tugev tuumajõud, elektronõrk, gravitatsioonijõud) . Tugev tuumajõud kahaneb suurte energiate juures. Nii elektromagnetiline kui ka nõrk tuumajõud kasvab suurtel energiatel. Seega teatud energia korral mida nim. suureks ühendusteooriaks, saavad need kolm jõudu võrreldavad ning neid või käsitleda parajasti üheainsa jõu kolme erineva ilminguna, väärtus vähemalt 10 astmel 15 GeV.
Füüsikaline maailmapilt ja pseudoteadused
Füüsikaline maailmapilt kujutab endast teadusliku maailmapildi ühte osa.
Füüsikaline maailmapilt on muutuv ajas ning see määrab ainult hetkeseisu.
Ümbritsevast maailmast muutuvad meie teadmised ja arusaamad.
Einsteini relatiivsusteooria asendas Newtoni mehaanika , kuid see ei kustuta ära Newtoni teooriat. Vastupidi, Newtoni klassikalise mehaanika abil teostatakse tänapäevalgi katseid. Nt: kasutatakse praktiliste insenerarvutuste puhul. Ka igapäevaelus toimuvad mehaanilised nähtused toimuvad tänu Newtoni teooriale.
Kehade liikumist suurtel kiirustel annab seletuse Einsteini relatiivsusteooria aga väiksemate kiiruste korral annavad mõlemad teooriad nii Newtoni kui ka Einsteini oma sama tulemuse. Selles seisnebki nn vastavusprintsiip – üldine põhimõte teaduslike teooriate võrdlemisel. Iga uus peab sisaldama mingil määral vana teooriat, mis on katseliselt kontrollitud.
Pseudoteadused on sajandite vältel kaasnenud teaduse arenguga, olles tõelise teaduse varjuks. Sellisteks on praegu nt. Astroloogia , parapsühholoogia, numeroloogia, ufoloogia jms. Tekib ühest üldisest teadusharust palju teisi ja see jaguneb alaliikidena. Võib arvata, et pseudoteaduse ajendiks on olnud inimeste loomulik uudishimu ning püüe mõista ümbritsevas looduses toimuvat. Teaduslik maailmapilt on alati piiratud teadmistega. Arvatakse, et me teame juba kõike teadmistekogumist, tegelikult see nii ei ole. Teaduse kriteeriumid on väga ranged , iga uus avastus on suur töö. See töö on küll äärmiselt huvitav aga nõuab uurijalt suurt kannatust, tahtejõudu ja oskusi.
On mõningaid küsimusi, millele nüüdisaegsete teadmiste tasemel ei ole võimalik vastust anda. Kas teistel planeetidesl on elu? Kas maasarnaseid planeete võib leida ka mujalt, teistest päikesesüsteemidest? Kas kusagil on olemas meie omaga sarnaseid tsivilisatsioone? Kahtlemata on need küsimused huvitavad ja erutavad inimesi.

Ufoloogia tegeleb faktide kogumisega tundmatute lendavate objektide kohta.

Astroloogia, mis tegeleb tähtede näiva seisu järgi inimeste saatuse ennustamisega (horoskoopidega). Astroloogia põhiteoorikas on Loomaringi tähtkujude ja Päikesesüsteemi planeetide vastastikuse asendi mõju inimeste käitumisele ja iseloomule.
Pseudoteadus võib muutuda isegi ohtlikuks kui horoskoobid mõjutavad liigselt inimesi seda jälgima.
Et eristada pseudoteadust teadusest, tuleb õppida teadusi, sh ka füüsikat, mis oma range loogilise järjekindlusega maailmaprobleemide lahendamisel anna mõista, mis tegelikult vastab tõele ja mis mitte.
Põhjuslikkus ja tõenäosuslikkus füüsikas
Üldiselt: Füüsika üheks olulisemaks ül on nähtuste (protsesside, muutuste) põhjuste välja selgitamine , Nt. Mis põhjustel tekib elektrivool metalljuhtmetes? Kui me oleme leidnud, et juhtmetes tekkinud elektrivoolu põhjuseks on juhtmeotstele rakendatud pinge, siis võime rääkida juba looduses toimivatest teatud seaduspärasustest. Lisaks veel misk vesi jäätub, miks valgus levib, miks libisev keha lõpuks alate sesma jääb. Teades nähtuste põhjust , teame seaduspärasust, kuidas nähtused kulgevad ning milline on nende ajaline järgnevus. Selline teadmine annab võimaluse ennustada antud nähtuste (põhjusele) järgnevat nähtust (tagajärge). Füüsikalised seadused väljendavad nähtuste põhjuslikke seoseid. Nextoni II s väljendab põhjulikku seost keha kiirenduse ja kehale mõjuva jõu vahel, saab ennustada keha käitumist härgmistel ajamomentidel , kui on teada tema kiirus ja asukoht mingil fiktseeritud algmomendil. Ohmi s aga võimaldab ennustada, kuidas muutub juhet läbiva elektrivoolu tugevus, kui muuta juhtme otstele rakendatud pinget jne. Kõik ajaliselt üksteisele järgnevad sündmused ei ole põhjuslikus seoses, st et ajaliselt varem toimunud sündmus ei pruugi põhjustada järgnevat. Nt Öö ja päeva vaheldumine . Päev ei ole iseenesest öö põhjuseks, vaid Maa pöörlemine ümber oma telje kutsub esile öö ja päeva vaheldumise. Põhjuslik seos eeldab, et ajaliselt eelnev nähtus oma olemuselt kutsub esile sellele järgneva nähtuse. Kõik nähtused ei allu Newtoni mehaanika lihtsatele seaduspärasustele. Kvantmehaanika muutis klassikalise determinismi seisukohti. Elektronide difraktsiooni eksperimendis on konkreetse elektroni liikumist raske prognoosida. Saame rääkida vaid tõenäosusest, et ta satud teatud punkti. Selline lähenemine täiesti erinev klassikalise füüsika vaatenurgast ( trajektoor peaks olema paigas, kui elektroni kiirus, alguskoht ja temale mõjuv jõud on paigas).
Kvantmehaanika abil ei saa ennustada, milline on konkreetse üksiku katse tulemus. Ennustatakse millised erinevad tulemused on võimalikud ning kui tõenäoline igaüks on. Kvant mehaanika võimaldab ennustada, kui suure sagedusega võib üks või teine tulemus korduda. Samas ei saa öelda, miline konkreetne tulemus realiseerubantud juhul.
Mikromaailmas: Kv.mehaanika ei välista põhjuslikkust. Üksikute nähtuste juhuslikkus ei ole tingitud teadmata põhjustest (nt juhuslik sündmus), vaid peitub mikromaailma olemuses. Mikromaailma sündmustele on kvantmehaanika seisukohalt omane teatav tõenäosuslikkus. Me ei saa küll ennustada, millal antud aatom täpselt kiirgab, kuid võime väita, mis hetkel see kõige tõenäolisemalt toimub. -see on kvantprotsesside omapära. Suurema aatomite koosluse korral võime täiesti täpselt ennustada aatomeid iseloomustava füüsikalise suuruse keskväärtust. Nt kiiratava energia keskväärtust. Valgus tekib paljude aatomite kiirgamise tulemusena (aatomi kvantoleku muutumisel), milles iga üksiku aatomi (üksiku valguskvandi) käitumist saab ennustada vaid teatud tõenäosusega.
Vaatamata tõenäosuslikkusele ei kao ka kvantmehaanika seadustest põhjuslikkus. See avaldub teisiti. Heisenbergi määramatuse printsiibi järgi ei saa põhimõtteliselt olevikku täpselt teada. Sama täpselt saame ka ennustada tulevikku. Kuid see, et kindla tõenäosusega toimuvad sündmused põhjustavad teatava tõenäosusega toimuvaid sündmusi (tagajärgi), on igati jõus ka mikromaailmas toimuvate ja kvantmehaanika abil kirjeldavate nähtuste kohta.
Füüsika uurimismeetodid. Eksperiment . Mudel. Teooria.
Füüsikas on oluline roll kogemusel e sellel, mida me näeme, puudutame, kuuleme= vaatlus . Vaatlustulemuste üldistamisel saame teadmisi nähtuste olemuse kohta. Vaatlus pole lihtsalt nähtuse vaatamine.Me püüame nähtust mõista, esitame küsimusi selle kohta või püstitame hüpoteesi ning siis vaatluse teel kontrollime tulemusi.
Näide: Vaatleme kehade liikumist. Küsimus- kas kehade liikumine on pidev protsess, ja kas sellel on alati algus ja lõpp?Vaatluse tulemus: Jälgides keha liikumist horisontaalsel pinnal, veendume, et sõltumata pinna iseärasustest peatub liikuma pandud keha varem või hiljem. See on kogemuslik fakt.
Näide 2: Vaatleme kehade liikumist. Küsimus: Miks kehad liikuma hakkavad?Vaatluse tulemus: Kõik kehad hakkavad liikuma siis, kui neid liikuma pannakse st kui neid mõjutavad teised kehad.Kogemuslik fakt.
Kogemuslikest faktidest tehtavad järeldused võivad olla väga erinevad. Näide: Aristoteles järeldas Näitest1, et kehade loomulik seisund on paigalolek, aga Galilei mõistis, et peatumise põhjuseks on hõõrdejõud, mille puudumisel liiguks keha lõpmatult. Mõlemad teadlased lähtusid samast vaatlustulemusest.
Täiuslikum vaatlus on eksperiment- nähtusi uuritakse mitmesugustes tingimustes, mida saab muuta teadlikul ja kontrollitaval viisil. Näide: Vaatleme kehade liikumist. Eksperimendi käigus muudetakse pind siledamaks ning libedamaks. Tulemus: Pikeneb ühesuguse algtõuke korral keha poolt läbitud tee. St, et keha ja pinna hõõrdumine on sellise liikumise juures oluline tegur. Eksperimendil tehud mõõtmiste tulemustel tuleb arvestada
Heisenbergi määramatuse printsiibiga-mõõtmistulemused pole kunagi järjest täiesti samad.
Mingi nähtuse mõistmiseks võtavad teadlased kasutusele mudeli- lihtsustatud mõtteline kujund uuritavast nähtusest või objektist, mis on võimalikult sarnane mingi tuntud nähtuse või objektiga. Näide: Me kuj. valgust lainena- analoogiliselt veepinnal tekkivate lainetega- kuigi valguse lainelisust me vahetult ei taju. Selline käsitlus on mõistlik, sest katsed näitavad, et veelainete ja valguse omadused on paljudel juhtudel sarnased.
Mudeleid kasutatakse, sest alati pole võimalik otseselt näha, mida uuritav objekt endast tegelikult kujutab. Mudel peaks andma idee, kuidas jätkata objekti edasist uurimist ja milliseid eksperimente on vaja teha, et välja selgitada kui suur on mudeli ja objekti vaheline sarnasus. Mida suurem sarnasus, seda lihtsam on uuritavat objekti või nähtust kirjeldada juba tuntud teooria abil.Mudeli ja teooria mõiste võivad ka kattuda- kui me oleme leidnud antud nähtuse kirjeldamiseks väga hea mudeli, st mingi teise nähtuse, mille teooria on hästi teada, siis oleme sellega loonud ka uuritava nähtuse teooria.
Teooria mõistet võib kasutada ka laiemalt- teooria kirjeldab tavaliselt laiemat hulka nähtusi ehk teatud nähtusi üldisemas mõttes. Näide: Laineteooria abil on võimalik kirjeldada laineprotsesse, ka valgust, käsitledes seda kui teatud lainetust (mudelit).
Mudelid on aidanud füüsikas mitmete tähtsate teooriate sünnile. Kuid siiski ei tohi mudeleid ja nähtusi samastada nähtuste enestega.
Näited mudelitest: ideaalse gaasi mudel, Bohri aatommudel
Seadusteks nim. üldiseid kokkusurutult sõnastatud väiteid loodusnähtuste kohta. Mõnikord on need esitatud sõnalisel kujul (nt. energia jäävuse seadus), mõnikord teatud füüsikaliste suuruste omavahelise seosena (nt. Newtoni teine seadus). Seadusena esitatud väide peab olema eksperimentaalselt tõestatud väga laia ringi nähtuste kohta. Seadusi täpsustatakse ning asendatakse uute ja üldisematega, see aga ei tähenda, et vana seadus oli vale. Kui vana seadus on toetunud kindlatele ja kontrollitud katseandmetele pole ta vale. Uute faktide avastamisel võib tekkida lihtsalt laiem vaatenurk suuremale nähtuste hulgale, mille tulemuseks on üldisem seadus või teooria- see on teaduse loomulik areng.
Füüsikaline hierarhia
On seadusi ja printsiipe , mis puudutavad väga laialdast nähtuste hulka ning on seadusi, mille kasutusala piirdub vaid mingi kindla või kitsa nähtuste ringiga . Kitsamat nähtuste hulka hõlmavad seadused peavad alati sisalduma teatud erijuhuna üldisemates ning olema vastavuses füüsika põhiprintsiipidega.
Seadused: Newtoni seadused, aatomite kiirgusseadus, optika seadused ( murdumis -ja peegeldumisseadused), gravitatsiooniseadus jne.
Näide ühest seadusest: GRAVITATSIOONISEADUS – Gravitatsiooniks nimetatakse mistahes kehade vastastikuse tõmbumise nähtust. Gravitatsioonijõu abil iseloomustatakse arvuliselt gravitatsioonilise vastastikmõju suurust.
Gravitatsioonijõu suurus on määratud gravitatsiooniseadusega: Kaks punkti tõmbavad teineteist jõuga, mis on võrdeline nende masside korrutisega ja pöördvõrdeline nendevahelise kauguse ruuduga.
Põhiprintsiibid- nüüdisaegne füüsikaline maailmapilt toetub teatud kindlatele, praegusel hetkel tunnustatud põhimõtetele, mis määravad meie ettekujutluse ümbritsevast maailmast.
: Galilei relatiivsusprintsiip, aine atomaarsuse printsiip, valguse dualismi printsiip, universumi ühtsuse printsiip jne.
Näide ühest põhiprintsiibist: Entroopia kasvu printsiip- entroopia iseloomustab termodünaamilise süsteemi korrastamatuse astet ning see printsiip väljendab tõsiasja, et suletud süsteemis tervikuna korrastamatus alati kasvab, entroopia kasvu printsiip, mis on termodünaamika teise seaduse üldistus, lubab ennustada protsesside kulgemise suunda. Nii näiteks kandub soojus alati soojemalt kehalt üle jahedamale.
Jäävusseadused, mis kinnitavad mingi füüsikalise suuruse jäävust teatud tingimustes, on kindlaks tehtud katselisel teel ning neid on korduvalt kontrollitud. Jäävusseaduste rakendamine keeruliste füüsikaliste probleemide juures võimaldab sageli ülesande lahendamist märgatavalt lihtsustada. Jäävusseaduste teoreetiline analüüs näitab, et nad on vahetult seotud ruumi ja aja omadustega. Nii on energia jäävuse seadus seotud aja homogeensuse, liikumisehulga jäävuse seadus ruumi homogeensuse ning pöörlemismomendi jäävuse seadus ruumi isotroopsusega.
Jäävusseadused: Massi jäävuse seadus, energia jäävuse seadus, liikumishulga jäävuse seadus, pöörlemismomendi jäävuse seadus.
Näide ühest jäävusseadusest: Energia jäävuse seadus. Energia ei teki ega kao. Ta võib muunduda ühest liigist teise või kanduda üle ühelt kehalt teisele.
Näiteks omab ülestõstetud keha potentsiaalset energiat mgh. Kui see keha allapoole langeb, siis väheneb ta kõrgus ja ilmselt sellega ka tema potentsiaalne energia. Samas suureneb tema kiirus ja seega ka kineetiline energia. Kui keha langeb maapinnale, siis osa tema energiast muutub elastse deformatsiooni potentsiaalseks energiaks, osa aga soojusenergiaks.
Seaduse, jäävusseaduse ja põhiprintsiibi hierarhia konkreetse näite varal .
1.Põhiprintsiip " Entroopia kasvu printsiip"
2.Jäävusseadus - " Energia jäävus seadus" Energia (kui soojus) ei teki ega kao, vaid kandub ühelt kehalt teisele
3.Seadus - "Soojusülekande seadus" Soojus kandub alati soojemalt kehalt külmemale osakeste põrkumise teel