Отличие науки от других отраслей культуры

Наука отличается от мифологии тем, что стремится не к объяснению мира в целом, а к формулированию законов развития природы, допускающих эмпирическую проверку.

Наука отличается от мистики тем, что стремится не к слиянию с объектом исследования, а к его теоретическому пониманию и воспроизведению.

Наука отличается от религии тем, что разум и опора на чувственную реальность имеют в ней большее значение, чем вера.

Наука отличается от философии тем, что ее выводы допускают эмпирическую проверку и отвечают не на вопрос «почему?», а на вопрос «как?», «каким образом?».

Наука отличается от искусства своей рациональностью, не останавливающейся на уровне образов, а доведение до уровня теорий.

Наука отличается от идеологии тем, что ее истины общезначимы и не зависят от интересов определенных слоев общества.

Наука отличается от техники тем, что нацелена не на использование полученных знаний о мире для его преобразования, а на познание мира.

Наука отличается от обыденного сознания тем, что представляет собой теоретическое освоение действительности. [2].

2. Корпускулярно-волновые свойства света. Представление о квантовании энергии (гипотеза М. Планка, 1900 г.). Квант. Энергия кванта. Постоянная Планка. Дискретная природа света (А. Эйнштейн, 1905 г.). Фотон. Энергия, масса и импульс фотона. Понятия «корпускулярные свойства» и «волновые свойства», их основные характеристики Теория Максвелла, являясь обобщением основных законов электрических и магнитных явлений, не только смогла объяснить уже известные к тому времени экспериментальные факты, что также является важным ее следствием, но и предсказала новые явления. Так, было предсказано существование электромагнитных волн — переменного электромагнитного поля, распространяющегося в пространстве с конечной скоростью. В дальнейшем было доказано, что скорость распространения свободного электромагнитного поля (не связанного с зарядами и токами) в вакууме равна скорости света. Данный вывод и теоретическое исследование свойств электромагнитных волн привели Максвелла к созданию электромагнитной теории света, в соответствии с которой свет представляет собой также электромагнитные волны. Электромагнитные волны были впервые обнаружены немецким физиком Г. Герцем (1857−1894), доказавшим, что законы их возбуждения и распространения полностью описываются уравнениями Максвелла.

Согласно современным представлениям электромагнитная природа света — это лишь одна разновидность проявления света. Другая разновидность характеризуется его квантовой природой. Такое двойственное представление природы света сложилось в результате длительного развития теории света.

В конце XVII в. почти одновременно возникли две, казалось бы, взаимоисключающие теории света: И. Ньютон предложил теорию, согласно которой свет представляет собой поток световых частиц (корпускул), летящих от светящегося тела по прямолинейным траекториям;

X. Гюйгенс (1629−1695) выдвинул волновую теорию, рассматривающую свет как упругую волну, распространяющуюся в мировом эфире.

В течение ста с лишним лет корпускулярная теория имела гораздо больше приверженцев, чем волновая. Однако в начале XIX в. французскому физику О. Ж. Френелю (1788−1827) удалось на основе волновых представлений объяснить все известные в то время оптические явления. В результате волновая теория света получила всеобщее признание, а корпускулярная теория была забыта почти на столетие. В 1851 г. французский ученый Ж.Б. Л. Фуко (1819−1868), измерив, скорость света в воде, получил еще одно экспериментальное доказательство справедливости волновой теории.

Первоначально считалось, что свет — это поперечная волна, распространяющаяся в гипотетической упругой среде, будто бы заполняющей все мировое пространство и получившей название мирового эфира. После создания электромагнитной теории на смену упругим световым волнам пришли электромагнитные волны.

В конце XIX — начале XX в. ряд новых опытов заставил вновь вернуться к представлению об особых световых частицах — фотонах. Было установлено, что свет имеет двойственную природу, сочетая в себе как волновые свойства, так и свойства, присущие частицам. В одних явлениях, таких как интерференция, дифракция и поляризация свет ведет себя, как волна, в других (фотоэффект, эффект Комптона) — как поток частиц (фотонов).

Теория Максвелла и ее экспериментальное подтверждение приводят к единой теории электрических, магнитных и оптических явлений, базирующейся на представлении об электромагнитном поле.

Согласно электромагнитной теории Максвелла.

c/х = (ем)Ѕ = n,.

где с и х — соответственно скорости распространения света в вакууме и в среде с диэлектрической проницаемостью е и магнитной проницаемостью м, п — показатель преломления среды.

Данное соотношение связывает оптические, электрические и магнитные характеристики вещества. Световые волны занимают лишь небольшой интервал шкалы электромагнитных волн. Они охватывают диапазон от 380 до 770 нм (1 нм = 10−9м).

Все окружающее нас пространство пронизано электромагнитным излучением. Солнце, окружающие нас тела, антенны радиостанций и телевизионных передатчиков испускают электромагнитные волны, которые в зависимости от частоты носят разные названия: радиоволны (РВ); инфракрасное излучение (ИК); видимый свет (В); ультрафиолетовое излучение (УФ); рентгеновские лучи (РЛ); гамма-излучение (г).

В отличие от механических волн, которые распространяются в веществе — газе, жидкости или твердом теле, электромагнитные волны могут распространяться и в вакууме.

Объяснить основные законы фотоэффекта на основе электромагнитной теории света не удалось. Эта теория не могла объяснить независимость энергии фотоэлектронов от интенсивности светового излучения, существования красной границы фотоэффекта, пропорциональность кинетической энергии фотоэлектронов частоте света.

Электромагнитная теория Максвелла и электронная теория Лоренца, несмотря на свои огромные успехи, были несколько противоречивы, и в процессе их применения возникал ряд затруднений. Обе теории основывались на гипотезе об эфире, только «упругий эфир» был заменен «эфиром электромагнитным» (теория Максвелла) или «неподвижным эфиром» (теория Лоренца). Теория Максвелла не смогла объяснить процессы испускания и поглощения света, фотоэлектрического эффекта, комптоновского рассеяния и т. д. Теория Лоренца в свою очередь не смогла объяснить многие явления, связанные с взаимодействием света с веществом, в частности вопрос о распределении энергии по длинам волн при тепловом излучении абсолютно черного тела.

Перечисленные затруднения и противоречия были преодолены благодаря смелой гипотезе, высказанной в 1900 г. немецким физиком М. Планком, согласно которой излучение света происходит не непрерывно, а дискретно, т. е. определенными порциями (квантами), энергия которых определяется частотой н.

E = h н, где h — постоянная Планка.

Теория Планка не нуждалась в понятии об эфире и объяснила тепловое излучение абсолютно черного тела.

А. Эйнштейн в 1905 г. создал квантовую теорию света:

не только излучение света, но и его распространение происходят в виде потока световых квантов — фотонов, энергия которых определяется приведенной выше формулой Планка, а импульс.

p = h/л, где л — длина волны.

Наиболее полно квантовые свойства электромагнитных волн проявляются в эффекте Комптона: при рассеянии монохроматического рентгеновского излучения веществом с легкими атомами в составе рассеянного излучения наряду с излучением, характеризующимся первоначальной длиной волны наблюдается излучение с более длинной волной.

Квантовые представления о свете хорошо согласуются с законами излучения и поглощения света, законами взаимодействия излучения с веществом. Такие хорошо изученные явления, как интерференция, дифракция и поляризация света, хорошо объясняются в рамках волновых представлений. Все многообразие изученных свойств и законов распространения света, его взаимодействия с веществом показывает, что свет имеет сложную природу: он представляет собой единство противоположных свойств — корпускулярного (квантового) и волнового (электромагнитного). Длительный путь развития привел к современным представлениям о двойственной корпускулярно-волновой природе света. Приведенные выше выражения связывают корпускулярные характеристики излучения — массу и энергию кванта — с волновыми — частотой колебаний и длиной волны. Таким образом, свет представляет собой единство дискретности и непрерывности. 3].

Фотоэлектрический эффект был открыт в 1887 году немецким физиком Г. Герцем и в 1888—1890 годах экспериментально исследован А. Г. Столетовым. Наиболее полное исследование явления фотоэффекта было выполнено Ф. Ленардом в 1900 г. К этому времени уже был открыт электрон (1897 г., Дж. Томсон), и стало ясно, что фотоэффект (или точнее — внешний фотоэффект) состоит в вырывании электронов из вещества под действием падающего на него света.

Схема экспериментальной установки для исследования фотоэффекта изображена на рис. 1.

Рисунок 1 Схема экспериментальной установки для изучения фотоэффекта В экспериментах использовался стеклянный вакуумный баллон с двумя металлическими электродами, поверхность которых была тщательно очищена. К электродам прикладывалось некоторое напряжение U, полярность которого можно было изменять с помощью двойного ключа. Один из электродов (катод K) через кварцевое окошко освещался монохроматическим светом некоторой длины волны л. При неизменном световом потоке снималась зависимость силы фототока I от приложенного напряжения. На рис. 2 изображены типичные кривые такой зависимости, полученные при двух значениях интенсивности светового потока, падающего на катод.

Рисунок 2 Зависимость силы фототока от приложенного напряжения. Кривая 2 соответствует большей интенсивности светового потока. Iн1 и Iн2 — токи насыщения, Uз — запирающий потенциал Кривые показывают, что при достаточно больших положительных напряжениях на аноде A фототок достигает насыщения, так как все электроны, вырванные светом из катода, достигают анода. Тщательные измерения показали, что ток насыщения Iн прямо пропорционален интенсивности падающего света. Когда напряжение на аноде отрицательно, электрическое поле между катодом и анодом тормозит электроны. Анода могут достичь только те электроны, кинетическая энергия которых превышает |eU|. Если напряжение на аноде меньше, чемUз, фототок прекращается. Измеряя Uз, можно определить максимальную кинетическую энергию фотоэлектронов:

К удивлению ученых, величина Uз оказалась независящей от интенсивности падающего светового потока. Тщательные измерения показали, что запирающий потенциал линейно возрастает с увеличением частоты н света (рис. 3).

Рисунок 3 Зависимость запирающего потенциала Uз от частоты н падающего света Многочисленными экспериментаторами были установлены следующие основные закономерности фотоэффекта:

• 1. Максимальная кинетическая энергия фотоэлектронов линейно возрастает с увеличением частоты света н и не зависит от его интенсивности.
• 2. Для каждого вещества существует так называемая красная граница фотоэффекта, т. е. наименьшая частота нmin, при которой еще возможен внешний фотоэффект.
• 3. Число фотоэлектронов, вырываемых светом из катода за 1 с, прямо пропорционально интенсивности света.
• 4. Фотоэффект практически безынерционен, фототок возникает мгновенно после начала освещения катода при условии, что частота света н > нmin.

Все эти закономерности фотоэффекта в корне противоречили представлениям классической физики о взаимодействии света с веществом. Согласно волновым представлениям при взаимодействии с электромагнитной световой волной электрон должен был бы постепенно накапливать энергию, и потребовалось бы значительное время, зависящее от интенсивности света, чтобы электрон накопил достаточно энергии для того, чтобы вылететь из катода. Как показывают расчеты, это время должно было бы исчисляться минутами или часами. Однако, опыт показывает, что фотоэлектроны появляются немедленно после начала освещения катода. В этой модели также было невозможно понять существование красной границы фотоэффекта. Волновая теория света не могла объяснить независимость энергии фотоэлектронов от интенсивности светового потока и пропорциональность максимальной кинетической энергии частоте света.

Таким образом, электромагнитная теория света оказалась неспособной объяснить эти закономерности.

Выход был найден А. Эйнштейном в 1905 г. Теоретическое объяснение наблюдаемых закономерностей фотоэффекта было дано Эйнштейном на основе гипотезы М. Планка о том, что свет излучается и поглощается определенными порциями, причем энергия каждой такой порции определяется формулой E = hн, где h — постоянная Планка. Эйнштейн сделал следующий шаг в развитии квантовых представлений. Он пришел к выводу, что свет имеет прерывистую (дискретную) структуру. Электромагнитная волна состоит из отдельных порций — квантов, впоследствии названных фотонами. При взаимодействии с веществом фотон целиком передает всю свою энергию hн одному электрону. Часть этой энергии электрон может рассеять при столкновениях с атомами вещества. Кроме того, часть энергии электрона затрачивается на преодоление потенциального барьера на границе металл-вакуум. Для этого электрон должен совершить работу выхода A, зависящую от свойств материала катода. Наибольшая кинетическая энергия, которую может иметь вылетевший из катода фотоэлектрон, определяется законом сохранения энергии:

Эту формулу принято называть уравнением Эйнштейна для фотоэффекта.

С помощью уравнения Эйнштейна можно объяснить все закономерности внешнего фотоэффекта. Из уравнения Эйнштейна следуют линейная зависимость максимальной кинетической энергии от частоты и независимость от интенсивности света, существование красной границы, безынерционность фотоэффекта. Общее число фотоэлектронов, покидающих за 1 с поверхность катода, должно быть пропорционально числу фотонов, падающих за то же время на поверхность. Из этого следует, что ток насыщения должен быть прямо пропорционален интенсивности светового потока.

Как следует из уравнения Эйнштейна, тангенс угла наклона прямой, выражающей зависимость запирающего потенциала Uз от частоты н (рис. 5.2.3), равен отношению постоянной Планка h к заряду электрона e:

Это позволяет экспериментально определить значение постоянной Планка. Такие измерения были выполнены в 1914 г. Р. Милликеном и дали хорошее согласие со значением, найденным Планком. Эти измерения позволили также определить работу выхода A:

где c — скорость света, лкр — длина волны, соответствующая красной границе фотоэффекта. У большинства металлов работа выхода A составляет несколько электрон-вольт (1 эВ = 1,602· 10−19 Дж). В квантовой физике электрон-вольт часто используется в качестве энергетической единицы измерения. Значение постоянной Планка, выраженное в электрон-вольтах в секунду, равно.

h = 4,136· 10−15 эВ· с.

Среди металлов наименьшей работой выхода обладают щелочные элементы. Например, у натрия A = 1,9 эВ, что соответствует красной границе фотоэффекта лкр? 680 нм. Поэтому соединения щелочных металлов используют для создания катодов в фотоэлементах, предназначенных для регистрации видимого света.

Итак, законы фотоэффекта свидетельствуют, что свет при испускании и поглощении ведет себя подобно потоку частиц, получивших название фотонов или световых квантов.

Энергия фотонов равна.

E = hн Фотон движется в вакууме со скоростью c. Фотон не имеет массы, m = 0.

Из общего соотношения специальной теории относительности, связывающего энергию, импульс и массу любой частицы,.

E2 = m2c4 + p2c2.

следует, что фотон обладает импульсом.

Таким образом, учение о свете, совершив виток длительностью в два столетия, вновь возвратилось к представлениям о световых частицах — корпускулах.

Но это не был механический возврат к корпускулярной теории Ньютона. В начале XX века стало ясно, что свет обладает двойственной природой. При распространении света проявляются его волновые свойства (интерференция, дифракция, поляризация), а при взаимодействии с веществом — корпускулярные (фотоэффект). Эта двойственная природа света получила название корпускулярно-волнового дуализма. Позже двойственная природа была открыта у электронов и других элементарных частиц. Классическая физика не может дать наглядной модели сочетания волновых и корпускулярных свойств у микрообъектов. Движением микрообъектов управляют не законы классической механики Ньютона, а законы квантовой механики. Теория излучения абсолютно черного тела, развитая М. Планком, и квантовая теория фотоэлектрического эффекта Эйнштейна лежат в основании этой современной науки. [4].

Рис. 3 Модель. Фотоэффект

3. Популяционно-видовой уровень организации живого. Основная элементарная структура этого уровня и его элементарное явление. Ввести понятие «популяция». Характеристика популяции. Вид и его характеристика. Системы популяций — биогеоценозы Особи в природе не абсолютно изолированы друг от друга, а объединены более высоким рангом биологической организации. Это популяционно-видовой уровень. Он возникает там и тогда, где и когда происходит объединение особей в популяции, а популяций в виды.

Популяции характеризуются появлением новых свойств и особенностей в живой природе, отличных от свойств молекулярно-генетического и онтогенетического уровней.

Популяционно-видовой уровень организации живого характеризуется объединением родственных особей в популяции, а популяций — в виды, что приводит к возникновению новых свойств системы.

Основные свойства этого уровня: рождаемость, смертность, выживание, структура (половая, возрастная, экологическая), плотность, численность, функционирование в природе. Основная стратегия популяционно-видового уровня проявляется в более полном использовании возможностей среды обитания, в стремлении к возможно более длительному существованию, в сохранении свойств вида и самостоятельном развитии. [5].