Пространство, время, симметрия

2. Пространство, время, симметрия

 

Тема 2-02-01. Принципы симметрии, законы сохранения

 

Понятие симметрии в естествознании: инвариантность относительно тех или иных преобразований

Нарушенные (неполные симметрии)

Эволюция как цепочка нарушений симметрии

Простейшие симметрии:

- однородность (одинаковые свойства во всех точках)

- изотропность (одинаковые свойства во всех направлениях)

Симметрии пространства и времени (геометрические симметрии):

- однородность пространства

- однородность времени

- изотропность пространства

Анизотропность времени (времени необратимо)

Теорема Нётер как общее утверждение о взаимосвязи симметрий с законами сохранения

Закон сохранения энергии как следствие однородности времени

Закон сохранения импульса (количества поступательного движения) как следствие однородности пространства

Закон сохранения момента импульса (количества вращательного движения) как следствие изотропности пространства

Связь второго закона термодинамики (закона несохранения энтропии) с анизотропностью времени (закон возрастания энтропии определяет направление («стрелу») времени. Время необратимо)

Тема 2-02-02. Эволюция представлений о пространстве и времени

Понимание пространства и времени как инвариантных самостоятельных сущностей (пустота у древнегреческих атомистов; Абсолютные пространство и время Ньютона)

Понимание пространства и времени как системы отношений между материальными телами (пространство как категория места, время как мера движения у Аристотеля; изменение пространственных и временных промежутков при смене системы отсчёта у Эйнштейна)

Классический закон сложения скоростей как следствие ньютоновских представлений об Абсолютном пространстве и Абсолютном времени

Концепция мирового эфира

Нарушение классического закона сложения скоростей в опыте Майкельсона-Морли (эфирного ветра не существует, скорость света постоянна)

Современная научная картина мира:

- отказ от идеи Абсолютных пространства и времени, мирового эфира и других выделенных систем отсчета

- признание тесной взаимосвязи между пространством, временем, материей и её движением

Тема 2-02-03. Специальная теория относительности

Принцип относительности Галилея (законы механики инвариантны относительно смены системы отсчета)

Принцип относительности (первый постулат Эйнштейна): законы природы инвариантны относительно смены системы отсчёта

Инвариантность скорости света (второй постулат Эйнштейна)

Постулаты Эйнштейна как проявление симметрий пространства и времени

Основные релятивистские эффекты (следствия из постулатов Эйнштейна):

- относительность одновременности

- относительность расстояний (релятивистское сокращение длин)

относительность промежутков времени (релятивистское замедление времени)

- инвариантность пространственно-временного интервала между событиями- инвариантность причинно-следственных связей

- единство пространства-времени

- эквивалентность массы и энергии (E=mc² масса тоже относительна: чем быстрее тело движется, тем больше его масса)

Соответствие СТО и классической механики: их предсказания совпадают при малых скоростях движения (гораздо меньше скорости света)

Примечание: относительны – значит, различны в различных системах отсчета, инвариантны – значит, одинаковы во всех системах отсчета

Тема 2-02-04. Общая теория относительности

Общая теория относительности (ОТО): распространение принципа относительности на неинерциальные системы отсчета

Принцип эквивалентности: ускоренное движение неотличимо никакими измерениями от покоя в гравитационном поле

Взаимосвязь материи и пространства-времени: материальные тела изменяют геометрию пространства-времени, которая определяет характер движения материальных тел (в гравитационном поле пространственно-временной континуум искривляется, т.е. пространственные отрезки сокращаются, а время замедляется)

Соответствие ОТО и классической механики: их предсказания совпадают в слабых гравитационных полях

Эмпирические доказательства ОТО:

- отклонение световых лучей вблизи Солнца

- замедление времени в гравитационном поле

- смещение перигелиев планетных орбит

3. Структурные уровни и системная организация материи

 

Тема 2-03-01. Микро-, макро-, мегамиры

Вселенная в разных масштабах: микро-, макро- и мегамир

Критерий подразделения: соизмеримость с человеком (макромир) и несоизмеримость с ним (микро- и мегамир)

Основные структуры микромира: элементарные частицы, атомные ядра, атомы, молекулы

Основные структуры мегамира: планеты, звёзды, галактики

Единицы измерения расстояний в мегамире: астрономическая единица (в Солнечной системе), световой год, парсек (межзвёздные и межгалактические расстояния)

Звезда как небесное тело, в котором естественным образом происходили, происходят или с необходимостью будут происходить реакции термоядерного синтеза

Атрибуты планеты:

- не звезда

- обращается вокруг звезды (например, Солнца)

- достаточно массивно, чтобы под действием собственного тяготения стать шарообразным

- достаточно массивно, чтобы своим тяготением расчистить пространство вблизи своей орбиты от других небесных тел

Галактики — системы из миллиардов звёзд, связанных взаимным тяготением и общим происхождением

Наша Галактика, её основные характеристики:

- гигантская (более 100 млрд. звёзд)

- спиральная

- диаметр около 100 тыс. световых лет

Пространственные масштабы Вселенной: расстояние до наиболее удалённых из наблюдаемых объектов более 10 млрд. световых лет

Вселенная, Метагалактика, разница между этими понятиями

Тема 2-03-02. Системные уровни организации материи

 

Целостность природы

Системность природы

Существование систем – как результат взаимодействий их компонентов

Аддитивные свойства систем (аддитивность) (это свойства систем, равные сумме свойств элементов)

Интегративные свойства систем (интегративность) (это свойства, которые не равны сумме свойств элементов)

Совокупности, не являющиеся системами, например, созвездия (участки звёздного неба, содержащие группы звёзд с характерным рисунком) и др.

Иерархичность природных структур как отражение системности природы: структуры данного уровня входят как подсистемы в структуру более высокого уровня, обладающую интегративными свойствами

Взаимосвязь системных уровней материи: физического, химического, биологического, социального (сложные формы движения материи основываются на простых, но не сводятся к ним)

Редукционизм и витализм как примеры несистемного подхода к взаимоотношениям системных уровней организации материи (редукционизм – сложные формы движения полностью сводятся к простым)

Витализм: биологическую форму движения материи нельзя объяснить через простые формы движения. Жизнедеятельность живых организмов виталисты объясняют наличием «жизненной силы»

Иерархические ряды природных систем:

- физических (фундаментальные частицы — составные элементарные частицы — атомные ядра — атомы — молекулы — макроскопические тела)

- химических (атом — молекула — макромолекула – вещество)

- астрономических (звёзды с их планетными системами — галактики — скопления галактик — сверхскопления галактик)

Тема 2-03-03. Структуры микромира

Элементарные частицы

Фундаментальные частицы – по современным представлениям, не имеющие внутренней структуры и конечных размеров (например, кварки, лептоны)

Частицы и античастицы

Принцип Паули (частицы с полуцелым спином не могут одновременно находиться в одном и том же состоянии, например, в атоме не может быть электронов, у которых все квантовые числа одинаковы)

Классификация элементарных частиц:

- по массе: с нулевой массой (фотон); лёгкие (лептоны); тяжёлые (адроны)

(к лептонам относятся электрон и нейтрино, к адронам – протоны и нейтроны, протоны и нейтроны состоят их 3х кварков)

- по времени жизни: стабильные (протон, электрон, нейтрино), нестабильные (свободный нейтрон (живет не более 10 минут, затем распадается на протон, электрон и антинейтрино)) и резонансы (нестабильные короткоживущие)

- по зарядам (электрическому, цветовому, гравитационному – масса)

 - по спину: бозоны – кванты полей (с целочисленным спином — фотон, мезоны) и фермионы - частицы вещества (с полуцелым спином — все лептоны, кварки, барионы), подчиняющиеся принципу Паули

Бозонная природа частиц-переносчиков фундаментальных взаимодействий (частицы-переносчики являются бозонами, т.е. у них целочисленные спины)

Вещество как совокупность устойчивых фермионных структур (кварки — нуклоны — атомные ядра — атомы с их электронными оболочками)

 Размеры и масса ядра в сравнении с атомом (масса ядра составляет большую часть массы атома, размеры ядра малы по сравнению с размерами атома)

Виртуальные частицы (это частицы, существующие очень короткое время, поэтому их нельзя зарегистрировать)

Физическое поле как совокупность реальных и виртуальных частиц

Физический вакуум как наинизшее энергетическое состояние физических полей, в котором отсутствуют реальные частицы

Тема 2-03-04. Процессы в микромире

 

Взаимопревращения элементарных частиц (распады, рождение новых частиц при столкновениях, аннигиляция)

Возможность любых реакций элементарных частиц, не нарушающих законов сохранения (энергии, заряда и т.д.)

Естественная радиоактивность — явление самопроизвольного распада атомных ядер, его вероятностный характер

Основные виды радиоактивного распада: альфа- и бета-распады, деление

Энергия связи ядра (дефект массы) (масса ядра всегда меньше суммы масс входящих в него частиц. Эта разница называется дефектом масс. Обусловлено тем, что при объединении нуклонов в ядро, выделяется энергия связи нуклонов друг с другом. Сильнее всего связаны нуклоны в ядрах с массовыми числами 50-60 (в середине периодической таблицы). Поэтому энергия выделяется как при делении тяжелых ядер, так и при слиянии (синтезе) легких ядер в одно ядро)

Выделение энергии при радиоактивном распаде

Цепная реакция деления ядер (исходные ядра à дочерние ядра + нейтроны à деление других ядер, стимулированное образующимися нейтронами)

Реакции синтеза легких атомных ядер (термоядерные реакции)

Выделение энергии в реакциях ядерного синтеза в сравнении с реакциями деления ядер

Термоядерные реакции, необходимые для них условия (чрезвычайно высокие температура и давление)

Естественные термоядерные реакторы – звёзды

 Энергия связи нуклонов в ядре в сравнении с энергией связи электронов в атоме (энергия связи нуклонов в ядре намного больше энергии связи электронов в атоме)

Тема 2-03-05. Химические системы

 

Атом (наименьшая химическая частица, состоит из ядра и электронной оболочки)

Изотопы (атомы одного и того же химического элемента, ядра которых содержат одинаковое число протонов, но разное число нейтронов)

Невозможность классического описания поведения электронов в атоме (возможно только вероятностное описание)

Дискретность электронных состояний в атоме (энергия электронов в атоме имеет дискретные значения)

Организация электронных состояний атома в электронные оболочки

Переходы электронов между электронными состояниями как основные атомные процессы (возбуждение и ионизация)

Химический элемент (разновидность атома с определенным зарядом ядра)

Молекула (наименьшая частица вещества, определяющая его свойства)

Вещества: простые и сложные (соединения) (молекулы простых веществ состоят из атомов одного и того же химического элемента)

Понятие о качественном и количественном составе вещества (качественный состав: из каких химических элементов состоит вещество)

Катализаторы (вещества, которые ускоряют химические реакции)

Биокатализаторы (ферменты)

Полимеры (вещества, молекулы которых состоят из большого числа повторяющихся звеньев (групп атомов), называемых мономерами)

Мономеры

Периодический закон Д. И. Менделеева (свойства химических элементов находятся в периодической зависимости от заряда ядра)

 Периодическая система как графическое отображение периодического закона: периоды (физический смысл номера периода), группы (физический смысл номера группы) (номер периода совпадает с количеством электронных оболочек, номер группы совпадает с количеством электронов на внешней оболочке)

Тема 2-03-06. Реакционная способность веществ

 

Химический процесс

Тепловые эффекты процессов (экзо-, эндотермические) (экзотермические – это реакции, протекающие с выделением тепла)

Понятие о химической кинетике (наука о закономерностях химических процессов)

Факторы, влияющие на реакционную способность веществ: влияние концентрации - закон действующих масс (скорость реакции прямо пропорциональна концентрации реагирующих веществ)

Факторы, влияющие на реакционную способность веществ: влияние температуры -правило Вант-Гоффа (при увеличении температуры на 10⁰ скорость реакции возрастает в 2-4 раза)

Энергия активации (энергетический барьер реакции) (это избыточная энергия, которой должны обладать молекулы для того, чтобы их столкновение могло привести к образованию нового вещества)

Факторы, влияющие на реакционную способность веществ: катализ

Понятие об автокатализе (явление, при котором в качестве катализаторов выступают продукты реакции)

Состояние равновесия (состояние системы, при котором скорости прямой и обратной реакции равны) и условия его смещения: принцип Ле Шателье (если на систему, находящуюся в равновесии, оказать внешнее воздействие, то в результате протекающих в ней процессов равновесие сместится в том направлении, которое ослабляет это воздействие)

Тема 2-03-07. Особенности биологического уровня организации материи

Системность живого (живая природа представляет собой иерархически организованную систему)

Иерархическая организация живого: клетка – единица живого

Иерархическая организация природных биологических систем:

биополимеры – органеллы – клетки – ткани – органы – организмы – популяции – виды

Иерархическая организация природных экологических систем:

 особь – популяция – биоценоз – биогеоценоз – экосистемы более высокого ранга (саванна, тайга, океан) – биосфера)

Химический состав живого: элементы-органогены, микроэлементы, макроэлементы, их основная роль в живом

Химический состав живого: атом углерода – главный элемент живого, его уникальные особенности:

 - способность атомов связываться друг с другом с образованием разнообразных структур, являющихся несущей основой органических молекул (многообразие органических молекул)

 - способность связываться с другими атомами близких радиусов (кислородом, азотом, серой) с образованием менее прочных связей (возникновение функциональных групп), которые обусловливают химическую активность органических соединений

 - способность к образованию двойных, тройных связей – другая причина химической активности

 - функциональные группы (если их не менее двух в молекуле) и кратные связи обусловливают способность к образованию высокомолекулярных соединений

 - возможность существования в виде асимметричного (хирального) центра – одна из причин хиральности молекул живого

Химический состав живого: вода, ее роль для живых организмов:

 - высокая полярность молекул воды и как следствие – ее химическая активность и высокая растворяющая способность

 - высокие теплоемкость, теплота испарения и теплота плавления – основа поддержания температурного гомеостаза живых организмов и регулирования климата планеты

 - аномальная плотность в твердом состоянии – причина существования жизни в замерзающих водоемах

 - высокое поверхностное натяжение – жизнь на поверхности гидросферы, передвижение растворов по сосудам растений

Химический состав живого: особенности органических биополимеров как высокомолекулярных соединений – высокая молекулярная масса, способность образовывать пространственные и надмолекулярные структуры, разнообразие строения и свойств

Симметрия и асимметрия живого

Хиральность молекул живого (способность отклонять поляризованные лучи света)

Открытость живых систем (они обмениваются с окружающей средой веществом и энергией)

Открытость живых систем

Обмен веществ и энергии

Самовоспроизведение

Гомеостаз как относительное динамическое постоянство состава и свойств внутренней среды живой системы

Каталитический характер химии живого

Специфические свойства ферментативного катализа: чрезвычайно высокие избирательность и скорость ферментативных реакций, главные причины чего – комплементарность фермента и реагента, высокомолекулярный характер фермента

 

Тема 2-03-08. Принципы воспроизводства живых систем

Полипептиды как предшественники белков

Белки как высокомолекулярные соединения с особым комплексом свойств

Аминокислоты – мономеры белков

Уровни организации белковой молекулы (первичная (последовательность аминокислот в белковой молекуле), вторичная (образование спирали), третичная (спираль сворачивается в шарик – глобулу), четвертичная (объединение нескольких глобул))

Функции белков: ферментативная, регуляторная, транспортная, защитная, двигательная (сократительные белки)

Липиды и их функции: энергетическая, структурная (липидные мембраны)

Углеводы и их функции: энергетическая, структурная

Нуклеотиды – мономеры нуклеиновых кислот (состоят из азотистого основания, дезоксирибозы или рибозы, и остатка фосфорной кислоты)

Нуклеиновые кислоты (полинуклеотиды) - ДНК, РНК (в молекулах РНК вместо тимина урацил, вместо дезоксирибозы - рибоза)

Азотистые основания: аденин, гуанин, цитозин, тимин, урацил

Комплементарность, комплементарные пары азотистых оснований (способность азотистых оснований избирательно соединяться друг с другом: А-Т (аденин соединяется с тимином), Г-Ц(гуанин – с цитозином))

Комплементарность цепей ДНК – основа важнейших функций: хранения и передачи наследственной информации

Функции нуклеиновых кислот и процессы редупликации (удвоение цепи ДНК), транскрипции (переписывание информации с ДНК на информационную РНК), трансляции (синтез белка на основе генетического кода информационной РНК)

Генетический код

Кодон (триплет) (элементарная единица наследственности, кодирующая одну аминокислоту, состоит из 3х нуклеотидов. Вырожденность кода: одной аминокислоте может соответствовать несколько триплетов))

Свойства генетического кода: триплетность, вырожденность, однозначность, универсальность, непрерывность (отсутствие пробелов и знаков препинания между триплетами (кодонами))