Связь закона сохранения с симметрией пространства-времени

                                                       Оглавление

1.Связь закона сохранения с симметрией пространства-времени

Введение……………………………………………………………………….1

Связь законов  сохранения с симметрией пространства и времени………...3

2.Чем отличается современное представление о Вселенной от взглядов античных философов…………………………………………………………..5

Возникновение Земли.

а) Мифологическое представление.

б) Философское представление.

в) Современные представления о происхождении Земли

Заключение……………………………………………………………………..12

3.Где и как рождаются атомы химических элементов………………………15

4.Чем определяется способность атомов образовывать молекулы?..........17 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

Введение

Фундаментальные физические законы - это наиболее полное на сегодняшний день, но приближенное отражение объективных процессов  в природе. Различные формы движения материи описываются различными фундаментальными теориями. Каждая из этих теорий описывает вполне определенные явления: механическое или тепловое движение, электромагнитные явления.                                                                                                        Существуют более общие законы в структуре фундаментальных физических теорий, охватывающие все формы движения материи и все процессы. Это законы симметрии, или инвариантности, и связанные с ними законы сохранения физических величин.                       Законы сохранения физических величин - это утверждения, согласно которым численные значения этих величин не меняются со временем в любых процессах или классах процессов. Фактически во многих случаях законы сохранения просто вытекают из принципов симметрии. Идея сохранения появилась сначала как чисто философская догадка о наличии неизменного, стабильного в вечно меняющемся мире. Еще античные философы-материалисты пришли к понятию материи как неуничтожимой и несотворимой основы всего сущего. С другой стороны, наблюдение постоянных изменений в природе приводило к представлению о вечном движении материи как важном ее свойстве. С появлением материалистической формулировки механики на этой основе появились законы сохранения.Законы сохранения тесно связаны со свойствами симметрии физических систем. При этом симметрия понимается как инвариантность физических законов относительно некоторой группы преобразований входящих в них величин. Наличие симметрии приводит к тому, что для данной системы существует сохраняющаяся физическая величина. Если известны свойства симметрии системы, как правило, можно найти для нее закон сохранения и наоборот.

Важнейшими законами сохранения, справедливыми для любых  изолированных систем, являются:                                                                               -закон сохранения энергии;                                                                                                  -закон сохранения импульса;                                                                                                -закон сохранения момента импульса.                                                                                            В современной физике обнаружена определенная иерархия законов сохранения и принципов симметрии. Одни из этих принципов выполняются при любых взаимодействиях, другие же - только при сильных. Эта иерархия отчетливо проявляется во внутренних принципах симметрии, которые действуют в микромире. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

Связь законов сохранения с симметрией пространства и времени

Принципы симметрии  тесно связаны с законами сохранения физических величин - утверждениями, согласно которым численные значения некоторых  физических величин не изменяются со временем в любых процессах или  в определённых классах процессов. Фактически, во многих случаях законы сохранения просто вытекают из принципов  симметрии. Связь между симметрией пространства и законами сохранения установила в 1918 году немецкий математик Эмми Нетер (1882 - 1935). Она сформулировала и доказала фундаментальную теорему математической физики, названную ее именем, из которой следует, что если некоторая система инвариантна относительно некоторого глобального преобразования, то для нее существует определенная сохраняющаяся величина. Теорема Нетер, доказанная ею во время участия в работе целой группы по проблемам общей теории относительности как бы побочно, стала важнейшим инструментом теоретической физики, утвердившей особую роль принципов симметрии при построении физической теории. Можно сказать, что теоретико-инвариантный подход, эрлангенский принцип проник в физику и определил целесообразность формулирования физических теорий на языке лагранжианов. Так, упоминаемые законы сохранения являются следствиями симметрий, существующих в реальном пространстве - времени. Закон сохранения энергии является следствием временной трансляционной симметрии - однородности времени. В силу однородности времени функция Лагранжа замкнутой системы явно от времени не зависит, а зависит от координат и импульсов всех элементов, составляющих эту систему. Несложными математическими преобразованиями можно показать, что это приводит к тому, что полная энергия системы в процессе движения остается неизменной.                                                                                                                      Закон сохранения импульса является следствием трансляционной Инвариантности пространства (однородности пространства). Если потребовать, чтобы функция Лагранжа оставалась неизменной при любом бесконечно малом переносе замкнутой системы в пространстве, то получим закон сохранения импульса.Закон сохранения момента импульса является Следствием симметрии относительно поворотов в пространстве, свидетельствует об изотропности пространства. Если потребовать, чтобы функция Лагранжа оставалась неизменной при любом бесконечно малом повороте замкнутой системы в пространстве, то получим закон сохранения момента импульса. Эти законы сохранения характерны для всех частиц, являются общими, выполняющимися во всех взаимодействиях.До недавнего времени в физике проводилось четкое разделение на внешние и внутренние симметрии. Внешние симметрии - симметрия физических объектов в реальном пространстве - времени, называемые также пространственно временными или геометрическими. Законы сохранения энергии, импульса и момента импульса являются следствиями внешних симметрий.

Чем отличается современное  представление о  Вселенной от взглядов античных философов.                                                                                                  Больше всего на свете - сама Вселенная, охватывающая и включающая в себя все планеты, звезды, галактики, скопления, сверхскопления и ячейки. Дальность действия современных телескопов достигает нескольких миллиардов световых лет. Планеты, звезды, галактики поражают нас удивительным разнообразием своих свойств, сложностью строения. А как устроена вся Вселенная, Вселенная в целом?                                                                                                  Ее главное свойство - однородность. Об этом можно сказать и точнее. Представим себе, что мы мысленно выделили во Вселенной очень большой кубический объем, с ребром в 500 миллионов световых лет. Подсчитаем, сколько в нем галактик. Произведем такие же подсчеты для других, но столь же гигантских объемов, расположенных в различных частях Вселенной. Если все это проделать и сравнить результаты, то окажется, что в каждом из них, где бы их ни брать, содержится одинаковое число галактик. То же самое будет и при подсчете скоплений или даже ячеек.                                                                            Вселенная предстает перед нами всюду одинаковой - «сплошной» и однородной. Проще устройства и не придумать. Нужно сказать, что об этом люди уже давно подозревали. Указывая из соображений максимальной простоты устройства на общую однородность мира, замечательный мыслитель Паскаль (1623-1662) говорил, что мир - это круг, центр которого везде, а окружность нигде. Так с помощью наглядного геометрического образа он утверждал однородность мира.В однородном мире все «места» равноправны и любое из них может претендовать на то, что оно - центр мира. А если так, то, значит, никакого центра мира вовсе не существует.У Вселенной есть и еще одно важнейшее свойство, но о нем никогда даже и не догадывались. Вселенная находится в движении - она расширяется. Расстояние между скоплениями и сверхскоплениями постоянно возрастает. Они как бы разбегаются друг от друга. А сеть ячеистой структуры растягивается. Во все времена люди предпочитали считать Вселенную вечной и неизменной. Эта точка зрения господствовала вплоть до 20-х годов нашего века. В то время считалось, что она ограничена размерами нашей Галактики. Настоящий переворот в науке о Вселенной произвели в 1922 - 1924 годах работы ленинградского математика и физика А. Фридмана. Опираясь на только что созданную тогда А. Эйнштейном общую теорию относительности, он математически доказал, что мир - это не нечто застывшее и неизменное. Как единое целое он живет своей динамической жизнью, изменяется во времени, расширяясь или сжимаясь по строго определенным законам. Фридман открыл подвижность звездной Вселенной. Это было теоретическое предсказание, а выбор между расширением и сжатием нужно сделать на основании астрономических наблюдений. Такие наблюдения в 1928 - 1929 годах удалось проделать Хабблу, известному уже нам исследователю галактик.Он обнаружил, что далекие галактики и целые их коллективы движутся, удаляясь от нас во все стороны. Но так и должно выглядеть, в соответствии с предсказаниями Фридмана, общее расширение Вселенной.Конечно, это не означает, что галактики разбегаются именно от нас. Иначе мы вернулись бы к старым воззрениям, к докоперниковой картине мира с Землей в центре. В действительности общее расширение Вселенной происходит так, что все они удаляются друг от друга, и из любого места картина этого разбегания выглядит так, как мы видим ее с нашей планеты. Если Вселенная расширяется, то, значит, в далеком прошлом скопления были ближе друг к другу. Более того: из теории Фридмана следует, что пятнадцать - двадцать миллиардов лет назад ни звезд, ни галактик еще не было, и все вещество было перемешано и сжато до колоссальной плотности. Это вещество было тогда и немыслимо горячим. Из такого особого состояния и началось общее расширение, которое привело со временем к образованию Вселенной, какой мы видим и знаем ее сейчас. Общие представления о строении Вселенной складывались на протяжении всей истории астрономии. Однако только в нашем веке смогла появиться современная наука о строении и эволюции Вселенной - космология.                                                                                                  С 17 по 20 в. в. было сделано множество открытий в разных областях наук о Земле, в том числе и в геологии. Ученые узнали, как образуются минералы, как работают вулканы, каково внутреннее строение Земли. Это помогло во многом разобраться, и теперь даже школьник знает, от чего происходят землетрясения, или почему Земля меняет свой облик. Но этому предшествовало время, когда люди мало знали о причинах природных явлений. До 6го века до н. э. главным в объяснении явлений природы был миф, а с 6го века до н. э. началось научное осмысление мира. Миф-это особый символически-образный язык. Он объясняет мир по-иному, чем наука, но неверно было бы полагать, что миф-это своего рода сказка, никак не связанная с реальностью. Тот, кто знаком с этим языком, может понять, о каких природных явлениях или процессах рассказывается в том или ином мифе. Согласно мифологическим представлениям, время циклично: это значит, что ежегодно мир рождается, гибнет, и возрождается снова. И во время ежегодного ритуала обновления мира, вновь и вновь рассказывалась история о возникновении мироздания, сотворении Земли, Неба, небесных светил. Это, как верили древние люди, должно было спасти мир от окончательной и бесповоротной гибели. Мифы изначально передавались в устной форме, но до нас они дошли в произведениях Гесиода, Аполлодора и других античных авторов.                                                                                                                                    Основной идеей античных философов является идея «первоначала», первоначальной материи, из которой затем появился наш мир. Основным способом проверки собственных идей было т. н. «умозрение»: философы наблюдали за окружающим их миром, но их исследования не подвергались экспериментальной проверке, и многие выводы носили умозрительный характер. Со временем люди все больше пытались понять окружающий их мир и причины возникновения различных явлений. В 19-20 веках было сделано огромное количество открытий. В 20 веке, в связи с увеличением возможностей, мы смогли найти доказательства нашим теориям, и с гораздо большей достоверностью узнать многое о возникновении и строении Земли, космоса и даже других галактик. Но, не смотря на то, что мифологический способ познания мира очень отличался от научного способа познания мира, и во времена античных философов не было сделано такого количества открытий, как в наше время, мы находим очень много общих представлений и в мифе, и в греческой философии, и в современной науке.

Возникновение Земли.

Мифологическое  представление.

В представлении  Гесиода, Космос-начало, противоположное  Хаосу. Греческое kosmeomai значит украшать, упорядочивать. Хаос же представляется, как величественный, трагический образ космического первоединства, где расплавлено бытие, из которого оно появляется и в котором погибает. Античный Хаос есть предельное разрежение и распыление материи, и потому он — смерть для всего живого.Очень распространены мифы о том, что мир произошел из яйца. Сначала в Хаосе зарождается Космос, потом в Космосе возникает первоматерия, имеющая форму яйца. Затем оно разделяется на небо и землю. В «Теогонии» Гесиода о яйце ничего не говорится-сразу зарождается небо-Уран и Земля-Гея.Возможно, версия о мировом яйце существовала раньше, так как оно упоминается в мифах многих других народов, но по тем или иным причинам была опущена.                                                                                                       Следует отметить, что персонажи в мифе имеют три значения:                                          1ое-их реальное значение, т. е. Стихии, которые они олицетворяют. 
2ое-их ритуальное значение. 
3ее-их социологическая или юридическая функция: например, Зевс-верховный судья, Афина-покровительница воинов, мудрый советчик.

В мифе Аполлодора далее рассказывается о том, как киклопы были заключены в недра Земли, как Крон победил своего отца Урана и выпустил киклопов на свободу, но затем снова заключил их в Тартар. Зевс, сын Крона, победил отца, снова освободив киклопов, которые изготовляли ему молнии для борьбы. После этого произошло упорядочение власти в мире: Небом-божественным Олимпом правил Зевс, водой-Посейдон(Океан), Тартаром управлял Плутон. Светила появились уже при власти Зевса.                                                                   Таким образом зарождение мира происходит в несколько этапов:

1. Сначала существует лишь Хаос, в котором обитают только ночь и туман (по ранним представлениям), но потом каким-то образом появляются небо и земля. Чаще всего Небо появляется в результате сгущения-например, тумана. Земля либо появляется из неба, либо одновременно с небом (в ранних мифах-в результате раскола мирового яйца).
2. Небо и Земля порождают стихии, которые властвуют над миром.
3. Появляется главная стихия, олицетворением которой все прочие стихии заключаются в глубь Земли. Наступает мир и порядок.

Периодически, стихии вырываются на поверхность, и на Земле происходят буйства-так как время циклично.

Философское представление.

В античной мифологии  существовали разные версии первоначала.Фалес  Милетский считал первоначалом воду. По его представлениям, мир периодически возникал из воды, а затем снова поглощался водой. Все в мире Фалес считал одушевленным (имеющим божественную сущность).Анаксимандр считал первоначало беспредельным. Периодически мир возникал из беспредельного начала, а затем поглощался им.Последователь Анаксимандра Анаксимен считал первоначалом воздух.Посредством охлаждения (или сжатия, а затем охлаждения), из воздуха возникло все остальное. Следует отметить, что эти философы относятся к шестому веку до н. э.К пятому веку появляется версия Парменида о том, что первоначалом является свет, и огонь-эфир.Эмпедокл полагал первоначалами (корнями) всех веществ 4 элемента: огонь, воздух, воду  землю — эти элементы неделимы. Движущие силы, две причины изменений первоэлементов-любовь и вражда.Ферекид считал началом время, которое породило огонь воздух и воду. Землю породил Зевс-небо (в представлении некоторых философов).К концу пятого , началу шестого века, появляются версии о первоначальном существовании всех элементов:Анаксагор говорил, что первичное состояние — смешение всех вещей неподвижная, качественно неопределимая масса. Движущая сила-разум. Под действием разума возникает вращение, которое способствует разделению на компоненты. Подобное стремится к подобному и наиболее тяжелые компоненты образовали Землю. Он считал, что разум дал первичный толчок постоянно расширяющейся Вселенной.Демокрит считал первоначалом хаос, в котором носятся атомы. Сцепляясь, они образуют огненные вихри-рождается мир.Воздух считал первоначальным веществом и Диоген. По представлению Диогена, Вселенная находилась в движении, и в одном месте становилась разреженной, а в другом уплотнялась (сжималась), свертываясь в клубок, и образовало Землю и прочие части Космоса. Легчайшие же частицы заняли верхнее место, и образовали Солнце.            Философ Гераклит считал первоэлементом огонь. Интересно, что свои труды Гераклит писал метафорами, значение которых не всегда можно понять. По представлению Гераклита, легчайший элемент огонь, сгущаясь, образует воду. Затвердевая, вода образует Землю. Земля же тает (плавится), превращаясь в воду, из которой рождается все живое.Космос сгорает до тла и снова рождается через равные промежутки времени.Следует сказать, что представления античных философов в какой-то степени основывались на опыте-возможно результат умозрения, но все же не имели достаточного критерия проверки.