Природознавство. 11 клас. Ільченко
§ 23. Фізика й науково-технічний прогрес та природничо-наукова картина світу
Ви познайомилися з досягненнями ядерної енергетики, її роллю в забезпеченні електричною енергією.
Розвиток механіки, засобів зв’язку, автоматики, отримання матеріалів із заданими властивостями привели до створення сучасної космічної техніки. Можливо, ви будете співучасниками проєктів заселення Марса, житимете в час, коли збудуться слова пісні: «І на Марсі будуть яблуні цвісти».
Розроблення всіх проєктів, пов’язаних з досягненнями фізики, має спиратися на екологічне мислення, образ природи, в основі якого поруч із загальними закономірностями природи лежать закони екології. Пригадайте їх метафоричний вираз: «Все зв’язано з усім», «Все повинно кудись діватися», «За все потрібно платити», «Природа знає краще».
Екологічні лиха нашої цивілізації, технічного прогресу не випадкові. Вони — закономірний результат взаємодії фрагментарного, сегментованого мислення людини з довкіллям. Тільки цілісне мислення людини, виразом якого є життєствердний образ природи, може зберегти цивілізацію, виважено взаємодіяти з нею.
Природничо-наукова картина світу та її складова — фізична картина світу.
З попередніх класів ви знаєте, що природничо-наукова картина світу — це система знань, яка утворюється під час обґрунтування всіх елементів знань на основі загальних закономірностей природи. Ці закономірності — збереження, спрямованості самочинних процесів до рівноважного стану, періодичності процесів у природі — великою мірою є предметом вивчення фізики. Сучасні уявлення про світ, пов’язані з мікросвітом, також є предметом вивчення фізики.
Наукова картина світу, яку почали створювати Галілей і Ньютон, а завершували Фарадей, Максвелл і Ейнштейн, відображала філософські переконання, які брали початок ще від древніх: природа не робить стрибків. Такі висновки ґрунтувалися на безперервності процесів. Цю думку змінила квантова теорія, згідно якої речовина при випромінюванні випускає енергію цілими порціями — квантами. Енергія кванта рівна E = hv, де v — частота світла (випромінювання), h — стала Планка. Ця величина відіграє величезну роль не тільки в сучасній фізиці, а у природознавстві взагалі.
Зі Сталою Планка увійшло до науки уявлення про дискретність енергії в мікросвіті; стала Планка виявилася пов’язаною з поняттям про будову атома. Вам відомо, що на основі експериментальних даних Резерфордом була розроблена планетарна модель атома. Це була остання наочна його модель. У травні 1911 р. фізики дізналися про те, як виглядає атом, але на Сольвєївському конгресі в Брюсселі вони про це промовчали. Запропонована Резерфордом модель була катастрофою для класичної фізики. Згідно уявленням електродинаміки Максвела електрон, який рухається навколо ядра, повинен випромінювати енергію і тому має дуже швидко впасти на ядро. Виходило, що з визнанням моделі атома Резерфорда слід переглянути класичну електродинаміку. Хоча на Сольвєївському конгресі не було сказано, що планетарна модель атома не має права на існування, Резерфорд розумів, що «його» атом приречений. Тим більш радісно було дізнатися про його порятунок.
У березні 1913 р. з Копенгагена Резерфорду прийшов пакет від молодого датського фізика Нільса Бора з нарисом його першої роботи по квантовій теорії будови атома.
Теорія будови атома, створена Резерфордом і Бором, дозволила пояснити багато фактів. Наприклад, були пояснені спектральні закономірності, періодичність зміни властивостей атомів хімічних елементів. Але виникли нові запитання, на які, як тоді здавалося фізикам, неможливо було відповісти. Ейнштейн писав: «Це було так, ніби з-під ніг пішла земля і ніде не було видно твердого ґрунту, на якому можна було б будувати...» Дійсно, що це за «орбіти», на яких електрони можуть рухатися, не розтрачуючи енергію. Як електрон «знає», який квант енергії йому слід випромінювати при переході з одного енергетичного рівня на іншій? Наприклад, електрон переходить з четвертого енергетичного рівня на другий, випромінюючи певний квант енергії. Але він може перейти і на третій, і на перший енергетичний рівень. І тоді він повинен випромінювати енергію, відповідну цим переходам... Бор не знав, як відповісти на ці питання. Відповідь знайшли інші фізики, правда, для цього довелося відмовитися від колишніх уявлень про мікропроцеси.
Як ви пам’ятаєте, в механіці і електродинаміці мікрочастинки уявлялися незмінними, їх швидкість, координату, енергію можна було визначити абсолютно точно в будь-який заданий момент часу. У сучасній картині миру абсолютно інший погляд і на самі мікрочастки, і на їхню поведінку.
Французький фізик Луї де Бройль в 1924 р. запропонував розглядати дискретні стани електрона в атомі як хвильові явища. Це давало можливість пояснити, чому електрон при своєму русі довкола ядра не випромінює енергію. Незабаром була відкрита дифракція електронів, що підтвердило наявність у них хвильових властивостей. Обумовлено це тим, що елементарним частинкам властиві властивості корпускули і хвилі. Для них неможливо з абсолютною точністю одночасно визначити координату і імпульс, зміну енергії і інтервал часу, впродовж якого відбувається ця зміна. І не тому, що ми не володіємо достатньо точними для цієї мети приладами, а з тієї ж причини, з якої не можна побудувати вічний двигун: сама природа не дозволяє цього зробити. Мікрооб’єкт не може мати одночасно і певної координати, і певної відповідної до неї проєкції імпульсу, і певним чином змінити свою енергію в точно визначуваний інтервал часу. Наприклад, чим точніше ми визначимо координату електрона, тим більша невизначеність буде допущена у визначенні його імпульсу. Під час переходу електрона з одного енергетичного рівня на іншій існує невизначеність в значенні його енергії, тому немає чого замислюватись над тим, як електрон «вибирає», який квант йому слід випромінювати, щоб попасти на той, а не на інший енергетичний рівень. У нього є «шанс» опинитися на кожному з можливих енергетичних рівнів, поведінка його не передбачувана, вона імовірнісна. Співвідношення, які дають можливість побачити, як зв’язані між собою невизначеності при визначенні координати і імпульсу мікрооб’єкту, енергії і часі його життя в певному стані, введені в 1927 р. В. Гейзенбергом:
ΔрxΔx ≥ h; ΔEΔt ≥ h.
Експерименти в області фізики високих енергій змінили уявлення про світ... Починаючи від Демокріта, атомісти пояснили нескінченну різноманітність речей об’єднанням і роз’єднанням їх частин, в цих процесах кінцевими і неділимими частинками уявлялися атоми. У їх вічності і збереженні їх кількості убачалися докази вічності світу.
А в чому ж ми бачимо основу для розуміння незнищуваності і несотворимості світу? Чи можемо ми елементарні частинки вважати «кінцевими частинками» матерії аналогічно тому, як атомісти представляли вічні і неділимі атоми? Щоб відповісти на це питання, подумаємо, чим відрізняється поняття подільності в класичній і сучасній фізиці.
Уявимо собі уявний експеримент, в якому моделлю «кінцевої частинки» матерії служить тарілка. Візьмемо дві тарілки з синтетичного матеріалу і ударимо одну об іншу. З точки зору класичної фізики можливі два випадки:
- тарілки залишаться цілими, тоді вони «неділимі»;
- тарілки розлетяться на шматочки, складемо їх — форма тарілок відновиться; маса шматочків дорівнює масі вихідної тарілки. Тарілка «ділима».
Якби набір посуду мав властивості елементарних часток, ми спостерігали б щось абсолютно інше. Уявимо собі, що ми ударяємо одну тарілку об іншу. І нічого не відбувається. Ударяємо їх з більшою силою, і ось результат: у нас в руках виявляється дві тарілки і одна чашка! Чи можна їх вважати осколками двох тарілок? Звичайно, ні! Ці «елементарні частинки», що утворилися, мають такий же статус елементарних частинок, як і вихідні. Цікаво, що маса частинок, що утворилися, не обов’язково дорівнює масі початкових: вона може бути як більшою їх маси, так і меншою, залежно від умов, в яких відбувалася взаємодія.
У сучасній науковій картині світу елементарна частинка — це найпростіший елемент даного поля або просто «квант даного поля». Пояснити, що таке поле, теж не просто. Але сенс цього поняття стане ясніший, якщо ми вдамося до такого порівняння: поля сучасної фізики можна порівняти із стихіями в картині світу древніх мислителів. Якщо вони вважали фундаментальними сутностями чотири стихії (землю, воду, повітря, вогонь), то сучасна фізика намагається розкрити весь вміст реального світу через прояв чотирьох видів взаємодій (мал. 2.55).
Мал. 2.55. До видів взаємодії у природі: а — сильні взаємодії; б — електромагнітні взаємодії; в — слабкі взаємодії; г — гравітаційні взаємодії
Сильну взаємодію (мал. 2.55, а) забезпечує зв’язок нуклонів в атомних ядрах. Ядерні сили діють лише на малих відстанях (10-15 м).
Електромагнітна взаємодія (мал. 2.55, б) зв’язує електрони в атомах і атоми в молекулах. Інтенсивність її приблизно в 100 разів менша, ніж сильної, але вона діє на будь-яких відстанях.
До слабкої взаємодії (мал. 2.55, в) схильні більшість елементарних частинок. Вона відповідальна за розпад деяких частинок і за процеси за участю нейтрино. Її інтенсивність складає лише 10-14 від інтенсивності сильної взаємодії.
Гравітаційна взаємодія (мал. 2.55, г) найбільш слабка. Її інтенсивність складає 10-43 від інтенсивності електромагнітної взаємодії. Вона діє між всіма матеріальними об’єктами.
Такі у загальних рисах сучасні уявлення про взаємодії в природі. Звести всі сили до єдиної основи, до чого прагнуло людське знання впродовж всього розвитку науки, сучасній фізиці поки не вдалося.
Фізика була і є основою технічного прогресу та наукових досягнень людства, які змінювали світогляд, умови життя людини.
Фізика має бути нерозривно пов’язана з екологією, з формуванням у людини життєствердного образу світу, його основи — образу природи.
У сучасній ПНКС вічними вважаються закони природи, яким підлягають всі взаємоперетворення і взаємодії у мікросвіті.
Перевірте себе
- 1. Наведіть приклади вкладу досягнень фізики в технічний прогрес. Наведіть приклади вкладу досягнень фізики в суспільний розвиток.
- 2. Які напрямки покращення умов життя людини ви пов’язуєте з фізикою?
- 3. Що називають природничо-науковою картиною світу?
- 4. З яких підсистем знань складається природничо-наукова картина світу?
- 5. Як уявлення про елементарні частинки змінила уявлення про першооснови світу, які панували відповідно до уявлень класичної фізики (механіка, електродинаміка)?
- 6. Які види взаємодій проявляються у природі відповідно до сучасної картини світу?
Поміркуйте
- 1. Яких знань вам не вистачає для характеристики впливу фізики на технічний прогрес? (Підказка: з історії фізики, історії розвитку суспільства, історії техніки...)
- 2. Якими власними прикладами ви можете підтвердити вплив фізики на розвиток суспільства? На технічний прогрес?
- 3. Чи можуть учні своїми проєктами, дослідженнями вплинути на розвиток фізики, технічний прогрес?
Матеріали для проєкту
Виконайте проєкт «Теплові насоси»
«Теплові насоси» здатні, забравши з електромережі кіловат-годину, подати у житлові чи виробничі приміщення значно більше енергії, оскільки «насос» поглинає енергію з холодного повітря навколишнього середовища. Примітивним «тепловим насосом» може бути практично кожен холодильник, вмонтований у вікно так, щоб теплообмінник був у кімнаті, а дверцята назовні. Коли увімкнути апарат в електромережу та відчинити дверцята, «холодильною» камерою стане вулиця, а двигун-компресор і теплообмінник виділять у кімнату не тільки енергію електричного струму, а й ту енергію, яку прилад вилучить із атмосфери, намагаючись її охолодити. Вважаємо, що коефіцієнт корисної теплової дії холодильника за таких умов перевищить 100 %, і він стане «тепловою помпою».
Виконайте проєкт «Теплий горщик»
Використовуючи будь-які пошукові системи Інтернету, знайдіть, яким чином можливо обігріти приміщення за допомогою глиняного горщика і парафінової свічки. Спробуйте відтворити проєкт. Обґрунтуйте його принцип роботи та виясніть недоліки.
