Пространство, время, симметрия

Эволюция научного метода и естественнонаучной картины мира

Задание N 1.

Метод познания, заключающийся в сознательном отвлечении от индивидуальных, несущественных свойств и сторон изучаемого объекта или явления с одновременным выделением интересующих исследователя свойств и связей, называется …

Варианты ответа:

· моделированием

· идеализацией

· абстрагированием

· формализацией

Решение:

В результате абстрагирования – отвлечения от частных, индивидуальных характеристик реальных предметов – возникают абстракции, являющиеся основным объектом теоретического знания.

Задание N 2.

В ходе процесса дифференциации естественных наук возникла …

Варианты ответа:

· гидродинамика

· биохимия

· астрофизика

· экономическая география

Решение:

Гидродинамика изучает механическое движение жидкостей. Она возникла из механики (физической дисциплины о механическом движении вообще) путем выделения механики сплошных сред, а из нее – механики течения жидкостей, то есть собственно гидродинамики.

Задание N 3.

Согласно принципу причинности в науке, …

Варианты ответа:

· события могут быть беспричинными или иметь сверхъестественную причину

· причина может наступить как раньше, так и позже своего следствия в зависимости от выбранной системы отсчета

· каждое событие имеет естественную причину, а беспричинных событий не бывает

· причиной изменения состояния любой системы является внешнее воздействие на нее

Решение:

Согласно любой научной картине мира, каждое событие должно иметь естественную причину. Предположение о возможности осуществления беспричинных событий означает отказ от рационального объяснения мира.

Задание N 4.

Представление о том, что материя имеет исключительно дискретную структуру, характерно для …

Варианты ответа:

Укажите не менее двух вариантов ответа

v механической научной картины мира

v современной научной картины мира

v электромагнитной научной картины мира

v учений древнегреческих атомистов

Решение:

Идея о том, что материя имеет дискретную структуру, была выдвинута древнегреческими атомистами. Они учили, что все в мире состоит из мельчайших неделимых частиц – атомов, а все, что происходит, сводится в конечном счете к перемещению атомов, их соединению и разделению между собой.

В механической картине мира под материей понималось вещество, состоящее из частиц, вечных и неизменных. Основная абстракция ньютоновской механики, материальная точка, это как раз абстракция дискретной неделимой частицы.

В электромагнитной картине мира появилось представление об еще одной форме материи – физическом поле, непрерывном в пространстве, не имеющем определенных границ и тем самым принципиально отличающемся от вещества.

В современной научной картине мира непреодолимая граница между полем и веществом исчезает. Согласно концепции корпускулярно-волнового дуализма, все поля квантуются, то есть могут рассматриваться как совокупность частиц; с другой стороны, каждая элементарная частица может рассматриваться как квант некоторого поля.

Задание N 5.

Представление о том, что все происходящее в мире сводится к перемещению тел или частиц по своим траекториям, характерно для … (несколько вариантов)

Варианты ответа:

Укажите не менее двух вариантов ответа

v современной научной картины мира

v механической научной картины мира

v учений древнегреческих атомистов

v электромагнитной научной картины мира

Решение:

Первичное механическое мировоззрение было свойственно древнегреческим атомистам. Они учили, что все в мире состоит из мельчайших неделимых частиц – атомов, а все, что происходит, сводится в конечном счете к механическому перемещению атомов. В противоположность атомистам, Аристотель понимал движение как рождение и гибель, рост и упадок, как любое изменение любого качества, то есть предельно широко.

Механическая картина мира во многом воспроизводила взгляды атомистов. В частности, согласно этой картины, все формы движения в конечном счете могут быть сведены к перемещению частиц материи по своим траекториям в соответствии с законами механики. Однако в более поздних научных картинах мира (электромагнитной и современной) происходит возврат к широкому, аристотелеву пониманию движения.

Задание N 6.

Из всех известных фундаментальных взаимодействий в XX веке были открыты …

Варианты ответа:

· слабое

· гравитационное

· электромагнитное

· сильное

Решение:

Сильное взаимодействие существенно лишь для объектов, не превышающих своими размерами атомного ядра; радиус слабого взаимодействия еще меньше. Поэтому они могли быть открыты лишь тогда, когда начались исследования ядра и субъядерных частиц, то есть не ранее начала XX века. Гравитационное же взаимодействие было известно еще И. Ньютону, электромагнитное – Дж. Максвеллу и его предшественникам.

Задание N 3.

Согласно натурфилософской картине мира, созданной Аристотелем в IV веке до н.э., …

Варианты ответа:

· любое движение есть изменение положения тела в пространстве с течением времени

· каждое действие встречает равное и противоположно направленное противодействие

· все состоит из мельчайших неделимых частиц – атомов, движущихся в пустоте

· Вселенная имеет форму шара, в центре которого покоится шарообразная Земля

Решение:

Натурфилософская картина мира легла в основу геоцентрической «системы мира» Птолемея, согласно которой Вселенная имеет форму шара, а в центре ее покоится шарообразная Земля. Геоцентрическую систему устройства мира Коперник поставил под сомнение лишь в XV веке.

 

Задание N 4.

К химическому учению о составе вещества относятся положения о том, что …

Варианты ответа:

Укажите не менее двух вариантов ответа

· каждое химическое соединение, независимо от способа его получения, состоит из одних и тех же элементов с одним и тем же отношением их масс

· если два элемента образуют несколько соединений, то массы одного из них, приходящиеся на единицу массы другого, относятся как небольшие целые числа

· повышение температуры на 10 градусов увеличивает скорость химической реакции в 2–4 раза

· строение молекулы можно установить, исследуя химические свойства вещества, и, наоборот, зная строение молекулы, можно предвидеть многие свойства соединения

 

Решение:

М.В. Ломоносов в работе «Элементы математической химии» (1741) сформулировал основные положения атомно-молекулярного учения:

1) все вещества состоят из «корпускул» (= молекул), которые строятся из «элементов» (= атомов);

2) молекулы простых веществ состоят из одинаковых атомов, молекулы сложных веществ – из разных;

3) молекулы и атомы находятся в безостановочном и беспорядочном тепловом движении.

В 1803 г. Д. Дальтон формулирует закон кратных отношений как эмпирическое обобщение результатов своих опытов: если два элемента образуют несколько соединений, то массы одного из них, приходящиеся на единицу массы другого, относятся как небольшие целые числа. В 1808 г. Ж.Л. Пруст открыл закон постоянства состава, который гласит: каждое химическое соединение, независимо от способа его получения, состоит из одних и тех же элементов с одним и тем же отношением их масс.

 

Задание N 5.

Не может быть описано как механическое перемещение или результат механического перемещения каких-то тел или частиц …

Варианты ответа:

Укажите не менее двух вариантов ответа

· обращение планет вокруг Солнца

· движение электронов в кинескопе телевизора

· возникновение радужных разводов на луже, в которую попала капелька масла из стоявшего над ней автомобиля

· движение электронов в атоме

Решение:

Механическое описание процессов как перемещения каких-то тел или частиц невозможно или неверно, например, в случаях, когда:

1) речь идет о качественных превращениях; например, рассмотрение геологической эволюции планеты требует рассматривать не только механическое перемещение вещества в ее недрах и на поверхности, но и происходящие при этом химические реакции, изменение физического состояния вещества (плавление или кристаллизация), ядерные реакции и так далее;

2) рассматриваются колебания электромагнитного или иных физических полей в условиях, благоприятствующих проявлению волновой стороны этих колебаний; например, радужная пленка на поверхности лужи, в которую попало масло из автомобиля, объясняется интерференцией света (электромагнитной волны, проявляющей в данном случае именно волновую сторону своей природы), отражающегося от верхней и нижней поверхности масляной пленки;

3) рассматривается движение микрочастиц в условиях, требующих учитывать законы квантовой механики; например, движение электрона в атоме ограничено микроскопической областью с размерами порядка его длины волны (волны де Бройля); в этих условиях электрон ведет себя уже не как частица, а как волна, и представление о траектории его движения неверно в принципе.

 

Задание N 6.

Электромагнитное взаимодействие обеспечивает стабильность …

Варианты ответа:

Укажите не менее двух вариантов ответа

· молекул

· атомов

· галактики

· атомных ядер

Решение:

Атомы стабильны благодаря электромагнитной силе притяжения отрицательно заряженных электронов к положительно заряженному ядру. Силы электромагнитного происхождения удерживают и атомы в составе молекул, однако описание этих сил более сложно, чем для атома, поскольку в состав любой молекулы входит не одно, а несколько атомных ядер и, чаще всего, множество электронов. Однако те же силы электромагнитного происхождения стремятся разрушить атомное ядро, поскольку входящие в его состав протоны заряжены одноименно и потому отталкиваются друг от друга. На космических же расстояниях из всех фундаментальных взаимодействий эффективно только гравитационное, которое и обеспечивает стабильность Солнечной системы, как и более масштабных объектов (галактик и их скоплений).

 

Задание N 2.

В гуманитарных науках, в отличие от естественных, …

Варианты ответа:

· осуществляется преимущественно количественная оценка явлений

· изучаются только типичные, универсальные процессы

· ученый стремится к получению «чистого знания» о мире, без учета этических, эстетических и других ценностей

· важно не только само знание, но и его индивидуальная оценка

Решение:

Гуманитарное знание отличается от естественнонаучного субъективностью, нестрогим образным языком, интересом к индивидуальным свойствам изучаемых предметов, ограниченностью применения принципов верификации и фальсификации. Субъективность знания связана с его индивидуальной оценкой, когда на знание накладывают отпечаток общественные интересы, убеждения ученого, ценностные ориентиры (отношение к человеческим ценностям – красоте, добру, злу, справедливости).

 

Задание N 3.

Все естественнонаучные картины мира отвечают на вопрос о (-об) …

Варианты ответа:

· механизмах взаимодействия материальных тел

· множественности форм движения материи

· взаимосвязи корпускулярных и континуальных свойств материи

Решение:

Во всех научных картинах мира рассматривается вопрос о механизмах взаимодействия материальных тел наряду с вопросами о материи, движении, пространстве и времени, причинности, закономерности, случайности, об общем устройстве и происхождении мира.

 

Задание N 4.

Электромагнитным излучением являются …

Варианты ответа:

Укажите не менее двух вариантов ответа

· радиоволны, испускаемые сотовыми телефонами

· звук, испускаемый динамиками акустических систем

· луч света, испускаемый лазером

· ионизирующее излучение, испускаемое радиоактивными веществами

Решение:

Электромагнитное излучение – это распространяющиеся колебания электромагнитного поля. В зависимости от длины электромагнитной волны они воспринимаются как радиоволны, инфракрасное излучение, видимый свет, ультрафиолетовое излучение, рентгеновские лучи и гамма-излучение.

Задание N 5.

В число положений учения о химическом процессе входят положения о том, что …

Варианты ответа:

Укажите не менее двух вариантов ответа

· строение молекулы можно установить, исследуя химические свойства вещества, и, наоборот, зная строение молекулы, можно предвидеть многие свойства соединения

· состояние химической системы задается концентрациями присутствующих в ней и взаимодействующих между собой веществ

· повышение температуры всего на 10 градусов увеличивает скорость химической реакции в несколько раз

· каждое химическое соединение, независимо от способа его получения, состоит из одних и тех же элементов с одним и тем же отношением их масс

Решение:

В конце XIX века начались исследования специфических законов химической формы движения, основной формой которой выступает химический процесс. Развитие химических знаний выходит на свой третий уровень – учение о химическом процессе. В соответствии с общим подходом, химический процесс есть изменение состояния химической системы с течением времени. А состояние химической системы очень часто задается концентрациями присутствующих в ней и взаимодействующих веществ. Таким образом, химический процесс представляет собой изменение веществ вследствие химических реакций или, реже, других процессов. Скорость химического процесса (химической реакции) зависит, прежде всего, от концентрации реагентов, температуры и присутствия катализаторов.

 

Задание N 6.

Представление о физическом поле как материальном агенте, осуществляющем передачу взаимодействий, характерно для …

Варианты ответа:

Укажите не менее двух вариантов ответа

· взглядов Аристотеля

· современной научной картины мира

· механической научной картины мира

· электромагнитной научной картины мира

Решение:

Полевой механизм передачи взаимодействий впервые возникает в электромагнитной научной картине мира. Передача взаимодействия в ее рамках представляется как процесс, осуществляемый особой формой материи – тем или иным физическим полем. Изменение состояния одного из взаимодействующих тел вызывает возмущение создаваемого им поля, которое (изменение), распространяясь с конечной скоростью, достигает второго тела, и лишь тогда состояние последнего начинает меняться. В современной научной картине мира полевой механизм передачи взаимодействий был расширен с учетом корпускулярно-волнового дуализма. Взаимодействие теперь можно рассматривать и как результат порождения полей, и как результат обмена виртуальными частицами – квантами соответствующего поля.

 

Задание N 1.

Под достоверностью научного знания понимают …

Варианты ответа:

· независимость научного знания от познающего субъекта

· необходимость обоснования знания путем экспериментального контроля и выводимости одних знаний из других, истинность которых доказана

· преемственность знаний, когда новые знания определенным образом и по определенным правилам соотносятся со старыми

· однозначность языка, четко фиксирующего смысл и значение понятий

Решение:

Под достоверностью научного знания понимают то, что оно обязательно обосновывается каким-либо способом, например экспериментом или логическим доказательством.

 

Задание N 3.

Согласно принципу причинности в науке, …

Варианты ответа:

· причина может наступить как раньше, так и позже своего следствия в зависимости от выбранной системы отсчета

· каждое событие имеет естественную причину, а беспричинных событий не бывает

· причиной изменения состояния любой системы является внешнее воздействие на нее

· события могут быть беспричинными или иметь сверхъестественную причину

Решение:

Согласно любой научной картине мира, каждое событие должно иметь естественную причину. Предположение о возможности осуществления беспричинных событий означает отказ от рационального объяснения мира.

Задание N 3.

По ходу развития естествознания в конкурентной борьбе корпускулярной и континуальной исследовательских программ в конечном итоге …

Варианты ответа:

· обе исследовательские программы были отброшены, как неверные

· выяснилось, что эти две программы не исключают, а дополняют друг друга

· победила корпускулярная (атомистическая) исследовательская программа

· победила континуальная исследовательская программа

Решение:

В XX веке был открыт корпускулярно-волновой дуализм – всеобщее свойство материи, заключающееся в том, что каждый материальный объект, в зависимости от ситуации, может вести себя и как дискретная частица (или поток частиц), и как волна, то есть колебание непрерывной среды. Соответственно, обе научные программы оказались полезными при объяснении явлений материального мира, они не исключают, а дополняют друг друга.

 

Задание N 4.

К химическому учению о составе вещества относятся положения о том, что …

Варианты ответа:

Укажите не менее двух вариантов ответа

· повышение температуры на 10 градусов увеличивает скорость химической реакции в 2–4 раза

· если два элемента образуют несколько соединений, то массы одного из них, приходящиеся на единицу массы другого, относятся как небольшие целые числа

· строение молекулы можно установить, исследуя химические свойства вещества, и, наоборот, зная строение молекулы, можно предвидеть многие свойства соединения

· каждое химическое соединение, независимо от способа его получения, состоит из одних и тех же элементов с одним и тем же отношением их масс

Решение:

М.В. Ломоносов в работе «Элементы математической химии» (1741) сформулировал основные положения атомно-молекулярного учения:

1) все вещества состоят из «корпускул» (= молекул), которые строятся из «элементов» (= атомов);

2) молекулы простых веществ состоят из одинаковых атомов, молекулы сложных веществ – из разных;

3) молекулы и атомы находятся в безостановочном и беспорядочном тепловом движении.

В 1803 г. Д. Дальтон формулирует закон кратных отношений как эмпирическое обобщение результатов своих опытов: если два элемента образуют несколько соединений, то массы одного из них, приходящиеся на единицу массы другого, относятся как небольшие целые числа. В 1808 г. Ж.Л. Пруст открыл закон постоянства состава, который гласит: каждое химическое соединение, независимо от способа его получения, состоит из одних и тех же элементов с одним и тем же отношением их масс.

 

Задание N 1.

На эмпирическом уровне научного познания происходит …

Варианты ответа:

· предсказание новых явлений в рамках существующих теорий

· выдвижение гипотез

· объяснение и обобщение фактов

· сбор фактов и информации

Решение:

На эмпирическом уровне научного познания происходит сбор фактов, информации, их описание и систематизация. При этом получают фактологические знания. Теоретический уровень связан с обобщением, объяснением, когда выдвигаются гипотезы, формулируются законы, создаются теории.

 

Задание N 6.

И для Аристотеля, и для современной научной картины мира характерны …

Варианты ответа:

Укажите не менее двух вариантов ответа

· идея о неравноправности взаимодействующих тел, среди которых всегда можно выделить активное (движущее) и пассивное (движимое)

· описание механизма передачи взаимодействий в рамках концепции близкодействия

· описание механизма передачи взаимодействий в рамках концепции дальнодействия

· представление о необходимости материальных посредников для передачи воздействия от одного тела к другому

Решение:

Согласно концепции дальнодействия, взаимодействие передается мгновенно на любые расстояния, не требуя для этого какого-либо посредника. Из всех научных картин мира эта концепция была присуща только механической, все более поздние научные картины опираются на концепцию близкодействия, согласно которой передача взаимодействия осуществляется тем или иным материальным посредником с конечной скоростью. В первоначальном виде концепция близкодействия описана еще Аристотелем, который учил, что воздействие передается либо при непосредственном соприкосновении взаимодействующих тел, либо по цепочке расположенных между ними тел-посредников. Правда Аристотель, в отличие от любой научной картины мира, считал взаимодействующие тела неравноправными, выделяя среди них движущее (активное) и движимое (пассивное). Движущее, согласно Аристотелю, действует на движимое, но встречного воздействия со стороны движимого не испытывает.

 

Задание N 1.

Согласно принципу фальсификации, который используется для проверки научности знания, …

Варианты ответа:

· истинность гипотезы необходимо подтвердить на опыте

· научное знание нельзя опровергнуть

· ученый не должен пытаться опровергнуть свою гипотезу

· научным может быть только принципиально опровергаемое знание

Решение:

Согласно принципу фальсификации (фальсифицируемости) (от лат. falsificare – подделываю, фальшь), научным может быть только принципиально опровергаемое знание. Фальсификация – это преднамеренное искажение каких-либо данных. Сам ученый и его оппоненты пытаются опровергнуть гипотезу или утверждение, и если это не удается, то она считается верной.

Пространство, время, симметрия

Задание N 7.

Осевой симметрией (инвариантностью относительно поворота вокруг некоторой оси на некоторый угол) обладают …

Варианты ответа:

Укажите не менее двух вариантов ответа

v зебры

v пауки

v простейшие одноклеточные

v морские звезды

Решение:

Согласно общему правилу, по мере эволюционного развития симметрия развивающейся системы понижается. Поэтому чем выше стоит организм на эволюционной лестнице, тем менее он симметричен в смысле как строения, так и функционирования. Осевая симметрия – симметрия достаточно высокая, и поэтому она свойственна лишь примитивным организмам. Например, простейшее одноклеточное, которое обладает практически симметрией сферы, можно повернуть вокруг любой оси на любой угол, и ему это будет безразлично. Морскую звезду (с пятью лучами) можно повернуть вокруг оси, перпендикулярной ее телу, на 1/5 полного поворота, и она совместится сама с собой (не считая мелких различий в размерах и функциональности ее лучей). А вот любое животное, у которого есть различие между головной и хвостовой, а также между брюшной и спинной частями, осью симметрии обладать не может.

Задание N 8.

Положение о том, что пространство и время не связаны друг с другом и могут рассматриваться по отдельности, характерно для...

Варианты ответа:

Укажите не менее двух вариантов ответа

v общей теории относительности

v специальной теории относительности

v натурфилософских картин мира античных мыслителей

v классической механики И. Ньютона

Решение:

В специальной теории относительности, предложенной А. Эйнштейном в 1905 году, впервые в истории науки было вскрыто единство пространства и времени. Оказалось, что, хотя пространство и время обладают разными свойствами (пространство трехмерно, время одномерно; пространство изотропно, время – анизотропно), они не существуют друг без друга и при смене систем отсчета изменяются строго согласованным образом. Именно поэтому как в специальной, так и в общей теориях относительности рассматривается не пространство и время, а пространство-время.

 

Задание N 9.

К числу постулатов специальной теории относительности относятся утверждения о том, что …

Варианты ответа:

Укажите не менее двух вариантов ответа

все природные явления во всех инерциальных системах отсчета происходят одинаково

v если в какой-нибудь системе отсчета скорость объекта равна скорости света, то она равна скорости света в любой другой системе отсчета

v гравитационная масса любого тела, определяющая силу его притяжения к другим телам по закону всемирного тяготения, совпадает с его инертной массой, фигурирующей во втором законе Ньютона (a=F\m)

v ускоренное движение физически эквивалентно покою в гравитационном поле, то есть неотличимо от него никакими измерениями

Решение:

Специальную теорию относительности можно рассматривать как совокупность следствий из двух постулатов А. Эйнштейна и положений об однородности пространства и времени и изотропности пространства. Первый постулат

А. Эйнштейна – это принцип относительности, устанавливающий, что ход любого природного явления не зависит от того, в какой из инерциальных систем отсчета мы его рассматриваем. Другими словами, все инерциальные системы отсчета равноправны, ни одна из них не хуже и не лучше любой другой. Второй постулат А. Эйнштейна – принцип инвариантности скорости света. Он утверждает существование такой скорости движения (300 000 км/с), которая не зависит от выбора системы отсчета.

Задание N 10.

Эмпирическими доказательствами справедливости общей теории относительности служат …

Варианты ответа:

Укажите не менее двух вариантов ответа

v медленное смещение перигелия орбиты Меркурия

v решения уравнений общей теории относительности, найденные А.А. Фридманом в 20-х годах XX века

v отрицательные результаты опыта Майкельсона–Морли

v искривление световых лучей, проходящих вблизи Солнца

Решение:

В настоящее время известны результаты уже более чем двух десятков проверок справедливости ОТО. Исторически первыми из них, полученными в первой половине XX века, были:

1. Смещение перигелия (ближайшей к Солнцу точки) орбиты Меркурия на 43 угловых секунды за столетие. Астрономы знали о нем с середины XIX века, но не могли объяснить притяжением Солнца и планет Солнечной системы. ОТО же не только объясняет этот эффект, но и очень точно предсказывает его величину.

2. Отклонение световых лучей, проходящих вблизи Солнца, на 1,75 угловых секунды от прямолинейной траектории. В классической механике этот эффект тоже имеет место, но величина его оказывается вдвое меньшей. В 1919 году астрономы впервые провели достаточно точные измерения, чтобы с уверенностью сказать: да, отклонение есть, и его величина соответствует не классической механике, а общей теории относительности.

Задание N 7.

И пространство, и время, и Вселенная в целом (рассматриваемая в самых больших масштабах) обладают симметриями …

Варианты ответа:

Укажите не менее двух вариантов ответа

· неизменяемости основных свойств с течением времени

· изотропности

· независимости своих основных свойств от выбора местоположения наблюдателя и скорости его движения

· однородности

Решение:

Из нашего опыта следует, что пространство и время однородны, то есть все точки пространства сами по себе равноправны, все моменты времени сами по себе равноценны, среди них нет выделенных или предпочтительных. Астрономические наблюдения говорят, что Вселенная в самых крупных масштабах (сотни миллионов световых лет и более) также однородна. Согласно принципу относительности, эти свойства нашего мира справедливы для любого наблюдателя, где бы он ни находился и с какой бы скоростью ни двигался. Изотропностью время не обладает: направления вперед и назад во времени физически не равноценны. Вселенная не может рассматриваться как нечто, не меняющееся с течением времени. В частности, когда она возникла 13,5 миллиарда лет назад, она была однородной во всех масштабах, не только в самых крупных, то есть не содержала никаких структур, подобных нынешним галактикам, звездам и другим.

Задание N 8.

Независимостью от положения и движения материальных тел обладают...

Варианты ответа:

Укажите не менее двух вариантов ответа

· значение скорости движения мирового эфира – в электромагнитной научной картине мира

· пространство и время в натурфилософской картине мира Аристотеля

· значение скорости светового луча в вакууме – в современной научной картине мира

· Абсолютное пространство и Абсолютное время – в механической научной картине мира

Решение:

Аристотель учил, что пространство и время – понятия, производные от понятий материи и движения. Естественно, при этом он не мог считать пространство и время независимыми от материальных тел. Естественно также, что он не приводил никаких количественных соотношений между движением материальных тел (например, наблюдателя), пространственными и временными промежутками, наподобие преобразований Лоренца в специальной теории относительности (Аристотель все же был философом, а не физиком).

Введенные И. Ньютоном Абсолютное пространство и Абсолютное время по определению были никак не связаны с материальными телами. При этом, правда, оставалось непонятным, как тогда материальный исследователь может получить о них хоть какую-то эмпирическую информацию. Частично этот вопрос был сглажен с появлением в электромагнитной научной картине мира концепции мирового эфира – гипотетической всепроникающей среды, колебания которой представляют собой свет. Считалось, что мировой эфир представляет собой материальное воплощение Абсолютного пространства, то есть идеальной системы отсчета. Однако как материальная среда он должен был взаимодействовать с телами. В частности, результаты экспериментов по оптике движущихся сред интерпретировались как доказательство того, что тела, движущиеся сквозь эфир, частично увлекают его за собой. Высчитывался даже «коэффициент увлечения», показывавший, какую долю скорости движущегося тела якобы приобретает эфир внутри него.

Концепция мирового эфира оказалась несостоятельной, и взамен нее

А. Эйнштейн разработал специальную теорию относительности (СТО), согласно которой и пространственные расстояния, и промежутки времени зависят от того, как движется измеряющий их наблюдатель. Однако в СТО показывается, что существуют такие пространственно-временные соотношения, инварианты, которые не зависят от движения наблюдателя. В частности, если материальный объект (например, луч света в вакууме) движется со скоростью света с точки зрения какого-нибудь наблюдателя, то с точки зрения любого другого наблюдателя его скорость также равна скорости света (это положение известно как второй постулат А. Эйнштейна).

 

Задание N 9.

Согласно специальной теории относительности, от выбора системы отсчета не зависит …

Варианты ответа:

Укажите не менее двух вариантов ответа

· искривление пространства-времени вблизи массивных тел

· значение скорости движения любого тела

· значение скорости светового луча в вакууме

· причинно-следственная связь между событиями

 

Решение:

При переходе от одной системы отсчета к другой не изменяются инварианты теории относительности: скорость световой волны в вакууме, пространственно-временной интервал между событиями, последовательность причинно связанных событий.

 

Задание N 10.

Основные следствия из принципа эквивалентности, выводимые в ОТО, заключаются в том, что …

Варианты ответа:

Укажите не менее двух вариантов ответа

· пространство-время нашей Вселенной является искривленным и описывается неевклидовой геометрией

· пространство-время нашей Вселенной описывается евклидовой геометрией, которую все изучают в школе.

· своим присутствием и движением материальные тела изменяют (искривляют) геометрию пространства-времени

· характер движения материальных тел определяется геометрическими свойствами пространства-времени

 

Решение:

В соответствии с принципом эквивалентности ускоренное движение физически полностью эквивалентно покою в присутствии гравитационного поля. Другими словами, определенные пространственно-временные соотношения (ускоренное движение) никаким экспериментом нельзя отличить от проявлений материального объекта, а именно – гравитационного поля. Математически такая чрезвычайно тесная связь между пространством-временем и материей выражается уравнениями ОТО, выведенными А. Эйнштейном. В левой части этих уравнений стоят величины, описывающие геометрические свойства пространства-времени, в правой – величины, описывающие распределение и движение материальных тел. Поскольку левая и правая части связаны знаком равенства, смысл этих уравнений состоит в том, что своим присутствием и движением материальные тела изменяют (искривляют) геометрию пространства-времени, которая, в свою очередь, определяет характер движения материальных тел.

 

Задание N 7.

К свойствам симметрии природного объекта можно отнести его …

Варианты ответа:

Укажите не менее двух вариантов ответа

· покровительственную окраску

· пластичность

· изотропность

· однородность

Решение:

В естествознании принято понимание симметрии как инвариантности (неизменности) относительно тех или иных преобразований. Если в качестве преобразований рассматриваются перемещения между точками пространства, то инвариантность относительно них называется однородностью. Свойства однородного объекта одинаковы во всех его точках. Инвариантность относительно поворотов во всевозможных направлениях принято называть изотропностью (от греч. исо- одинаковый, равный и тропэ - поворот, превращение). Свойства изотропного объекта не зависят от направления, в котором мы их измеряем.

Пластичность – это легкость изменения формы, то есть она не может считаться проявлением инвариантности.

Покровительственную окраску, в принципе, можно рассматривать как свойство симметрии (при переводе взгляда с объекта на окружающие предметы зрительное ощущение не изменяется, остается инвариантным), однако это симметрия не самого объекта, а симметрия системы «объект + его окружение». В одном окружении окраска будет покровительственной (белый маскхалат на снегу), в другом – нет (тот же маскхалат в летнем лесу).

 

Задание N 9.

Согласно специальной теории относительности, от выбора системы отсчета не зависит …

Варианты ответа:

Укажите не менее двух вариантов ответа

· значение скорости светового луча в вакууме

· причинно-следственная связь между событиями

· искривление пространства-времени вблизи массивных тел

· значение скорости движения любого тела

Решение:

При переходе от одной системы отсчета к другой не изменяются инварианты теории относительности: скорость световой волны в вакууме, пространственно-временной интервал между событиями, последовательность причинно связанных событий.

 

Задание N 10.

Укажите условия, при которых совпадают предсказания классической механики и общей теории относительности.

Варианты ответа:

Укажите не менее двух вариантов ответа

· Гравитационные поля сильные, то есть такие, в которых свободно падающее тело может разогнаться до скорости, близкой к скорости света.

· Скорости движения небольшие, то есть гораздо меньшие, чем скорость света.

· Гравитационные поля слабые, то есть такие, в которых свободно падающее тело не может разогнаться до скорости, близкой к скорости света.

· Скорости движения большие, то есть приближающиеся к скорости света или равные ей.

Решение:

Классическая механика дает точные предсказания при движении макроскопических тел с небольшими скоростями в слабых гравитационных полях. Если скорости движения становятся большими, то есть приближаются к скорости света, классическая механика начинает ошибаться и необходимо использовать специальную теорию относительности. Если к тому же рассматриваются сильные гравитационные поля – такие, которые свойственны Метагалактике в целом или компактным массивным объектам вроде нейтронных звезд или черных дыр, то и специальной теории относительности недостаточно, необходимо использовать общую.

Задание N 7.

Из однородности пространства и времени, согласно теореме Э. Нётер, непосредственно вытекают законы сохранения …

Варианты ответа:

Укажите не менее двух вариантов ответа

· энергии

· момента импульса

· импульса

· электрического заряда.

Решение:

Согласно теореме, доказанной в 1918 г. Эми Нётер, любая симметрия системы порождает закон сохранения определенной физической величины, характеризующей эту систему. Поскольку все без исключения процессы происходят в пространстве и во времени, то законы сохранения, вытекающие из симметрий пространства и времени, оказываются фундаментальными, всеобщими – им подчиняются все объекты и все процессы независимо от их природы. В частности, прямым следствием однородности пространства является закон сохранения импульса (количества поступательного движения); следствием однородности времени выступает закон сохранения энергии. Большинство же законов сохранения, установленных в естественных науках, являются более частными и отражают симметрии не всеобщих категорий пространства и времени, а отдельных объектов, классов объектов и взаимодействий между ними; например, закон сохранения электрического заряда, закон постоянства биомассы в земной биосфере и тому подобных.

 

Задание N 8.

Представление о бесконечности пространства и времени, отсутствии у них пределов, границ, начала и конца свойственно …

Варианты ответа:

Укажите не менее двух вариантов ответа

· Аристотелю

· электромагнитной научной картине мира

· современной научной картине мира

· механической научной картине мира

Решение:

Представления о конечности или бесконечности пространства и времени тесно связаны с космологическими представлениями об общем устройстве и происхождении Вселенной. Например, Аристотель представлял себе Вселенную как шар, в котором заключена движущаяся материя. За границами этого шара, согласно Аристотелю, расположен нематериальный и неподвижный перводвигатель. Поскольку Аристотель понимал пространство и время как меру протяженности и движения материи, то за границами Вселенной пространства и времени, с его точки зрения, нет.

И. Ньютон, основоположник механической научной картины мира, определил пространство и время как бесконечные однородные протяженность и длительность соответственно. Этот подход преобладал вплоть до начала развития научной космологии в XX веке, то есть был свойствен и электромагнитной научной картине мира. В научной космологии установлено, что, по крайней мере, время имело начало – так называемую сингулярность, которая рассматривается как момент возникновения нашей Вселенной.

 

Задание N 9.

При переходе от одной системы отсчета к другой могут изменяться …

Варианты ответа:

Укажите не менее двух вариантов ответа

· промежуток времени между двумя событиями

· последовательность причинно не связанных событий

· пространственно-временной интервал между двумя событиями

· последовательность причинно связанных событий

Решение:

При переходе от одной системы отсчета к другой не изменяются инварианты теории относительности: скорость световой волны в вакууме, пространственно-временной интервал между событиями, последовательность причинно связанных событий. Скорость, расстояния в пространстве, промежутки времени между событиями, последовательность причинно не связанных событий или их одновременность относительны, то есть зависят от выбора системы отсчета.

 

Задание N 10.

Принцип эквивалентности устанавливает физическую неразличимость …

Варианты ответа:

Укажите не менее двух вариантов ответа

· массы и энергии

· инертной и гравитационной масс

· пространства и времени

· ускоренного движения и покоя в гравитационном поле

Решение:

Принцип эквивалентности известен в нескольких равносильных формулировках. Одна из них утверждает, что ускоренное движение физически эквивалентно покою в гравитационном поле, то есть неотличимо от него никакими измерениями. Вторая устанавливает принципиальную неразличимость сил инерции и гравитации. Согласно третьей, инертная масса любого тела (то есть та, которая фигурирует во втором законе Ньютона) равна его гравитационной массе (той, что используется в законе всемирного тяготения).