Космология и математическая физика

Резюме 3

Основная часть: характеристика отдельных видов комплексно-физических наук

1.1 Астрофизика 6

1.2 Биофизика 9

1.3 Геофизика 11

1.4 Агрофизика 13

1.5 Космология и математическая физика 14

1.6 Радиофизика 16

1.7 Физическая химия 17

Терминологический словарь 20

Список использованной литературы 22

Резюме

Физика (от др.-греч. φύσις — природа) — область естествознания, наука, изучающая наиболее общие и фундаментальные закономерности, определяющие структуру и эволюцию материального мира. Всё естествознание базируется на законах физики.

Разделы физики на стыке наук, их также называют комплексно-физическими науками:

· Астрофизика

· Агрофизика

· Биофизика

· Геофизика

· Космология

· Радиофизика

· Физика атмосферы

· Техническая физика

· Материаловедение

· Математическая физика

· Физическая химия и другие…

Биофизика:

1. раздел физики и современной биологии, изучающий физические аспекты существования живой природы на всех её уровнях, начиная от молекул и клеток и заканчивая биосферой в целом;

2. это наука о физических процессах, протекающих в биологических системах разного уровня организации и о влиянии на биологические объекты различных физических факторов. Биофизика призвана выявлять связи между физическими механизмами, лежащими в основе организации живых объектов и биологическими особенностями их жизнедеятельности.

Проведение биофизических исследований требует знаний физики, биологии, химии и медицины.

Геофизика— комплекс наук, изучающих как физические свойства Земли в целом, так и физические процессы, происходящие в её твёрдых сферах, а также в жидкой (гидросфера) и газовой (атмосфера) оболочках.

В разделении геофизических дисциплин нет твёрдо установившейся терминологии.

Важное применение радиофизика нашла в радиолокации. В радиолокации решается обратная волновая задача — по известному сигналу необходимо определить объект его сгенерировавший или рассеявший. Именно радиолокационные задачи привели к бурному развитию радиофизики в Советском Союзе после окончания Отечественной войны.

Космология — раздел астрономии и физики, изучающий свойства и эволюцию Вселенной в целом. Основу этой дисциплины составляет математика, физика и астрономия. В своих задачах она часто пересекается с философией и богословием.

Возникновение современной космологии связано с развитием в XX веке Общей теории относительности Эйнштейна и физики элементарных частиц.

В классическом определении, математическая физика — это раздел математики, изучающий дифференциальные уравнения в частных производных, часто встречающихся в теоретической физике. Например уравнение теплопроводности.

Радиофизика обеспечивает радиотехнику методами, необходимыми для разработки таких устройств как приёмные и передающие антенны, генераторы электромагнитных волн, приёмники, усилители, фильтры, модуляторы, демодуляторы, радиоволноводы, радиолокаторы, квантовые устройства и т. д.

Радиофизические методы положили начало исследованию космоса в радиодиапазоне — т. н. радиоастрономии, имеющей важное значение для астрофизики.

Физическая химия (часто в литературе сокращённо — физхимия) — раздел химии, наука об общих законах строения, структуры и превращения химических веществ. Исследует химические явления с помощью теоретических и экспериментальных методов физики.

Астрофизика

Астрофизика (от греч. αστρον — «светило» и φύσις — «природа») — наука на стыке астрономии и физики, изучающая физические процессы в астрономических объектах, таких как звёзды, галактики и т. д. Физические свойства материи на самых больших масштабах и возникновение Вселенной изучает космология.

Астрофизика — учение о строении небесных тел. Астрофизика есть таким образом часть астрономии, занимающаяся изучением физических свойств и химического состава Солнца, планет, комет или неподвижных звёзд и туманностей. Главные методы Астрофизики: спектральный анализ, фотография и фотометрия вместе с обыкновенными астрономическими наблюдениями. Спектроскопический анализ составляет область, которую правильнее было бы назвать астрохимией, химией небесных светил, так как главные указания, даваемые спектроскопом, касаются химического состава изучаемых светил. Фотометрические и фотографические исследования выделяются иногда в особые области астрофотографии и астрофотометрии. Астрофизику не следует смешивать с физическою астрономией, каковым именем принято означать теорию движения небесных светил, то есть то, что также носит название небесной механики. К Астрофизике относят также исследование строения поверхности небесных светил, специально Солнца и планет, насколько это возможно из телескопических наблюдений над этими телами. А. есть еще совершенно юная наука. Самое название её существует только с 1865 и предложено Цельнером. Астрофизические обсерватории существуют ещё только в очень немногих странах. Из них особенно знамениты Потсдамская обсерватория под управлением Фогеля и Медонская под управлением Жансена. В Пулкове также устроено астрофизическое отделение, во главе которого стоит Гассельберг. В настоящей статье мы изложим историю и главные результаты астроспектроскопии, или того отдела Астрофизики, который состоит из приложения спектрального анализа к изучению небесных тел.

Первые исследования спектра Солнца были предприняты одним из изобретателей спектрального анализа, Кирхгофом, в 1859 г. Результатом этих исследований был рисунок солнечного спектра, из которого можно было определить уже с большою подробностью химический состав солнечной атмосферы. Раньше Кирхгофа высказывались только иногда отдельные предположения о возможности анализа солнечной атмосферы посредством спектроскопа и в особенности о существовании на Солнце натрия вследствие найденной в спектре его тёмной линии D натрия. Такие предположения высказывались, напр., Фуко в Париже, Стоксом в Кембридже. Между тем ещё незадолго до этого Огюст Конт высказал в своей «Положительной философии» убеждение в невозможности когда бы то ни было узнать химический состав небесных тел, хотя уже в 1815 г. Фраунгофер знал о существовании тёмных линий в спектре Солнца и о существовании характеристических спектров у некоторых отдельных звезд Сириуса, Капеллы, Бетейгейзы, Проциона, Поллукса. После первых исследований Кирхгофа спектральным анализом небесных тел занялись с большим усердием несколько астрофизиков, которые вскоре представили чрезвычайно обстоятельные исследования спектров Солнца и неподвижных звезд. Ангстром (вернее, Онгстром) изготовил чрезвычайно точный атлас солнечного спектра, Секки произвел обозрение большого числа звезд посредством спектроскопа и установил четыре типа звездных спектров, Геггинс начал ряд исследований над спектрами отдельных ярких звезд. Область применения спектроскопа постепенно расширялась. Геггинсу удалось наблюдать спектр некоторых туманностей и подтвердить уже неопровержимым образом предположение о существовании двух типов туманностей - звездных, состоящих из куч звезд, которые при достаточной оптической силе инструмента могут быть разложены на звезды, и газообразных, действительных туманностей, относительно которых можно думать, что они находятся в фазе образования отдельных звезд путем постепенного сгущения их вещества. С середины 60-х годов изучение поверхности Солнца посредством спектроскопа во время затмений и вне их вошло в состав непрерывных наблюдений, производящихся в настоящее время во многих обсерваториях. Геггинс, Локьер в Англии, Жансен во Франции, Фогель в Германии, Таккини в Италии, Гассельберг в России и др. дали обширные исследования, уяснившие строение верхних слоев солнечной атмосферы (см. Солнце). В то же время с 1868 года по мысли Геггинса спектроскоп был применен и к исследованию собственных движений звезд по направлению луча зрения посредством измерения перемещений линий их спектров измерения, которые в настоящее время также производятся систематически в Гринвичской обсерватории. Принцип Допплера, лежащий в основании этих измерений, был уже несколько раз проверяем экспериментально измерениями перемещений солнечного спектра и послужил Локьеру в его измерениях перемещений различных линий спектра Солнца к установлению его гипотезы о сложности химических элементов. Спектры комет, падающих звезд, метеоритов, исследованные разными астрономами, а в последнее время в особенности Локьером, дали уже много весьма важных фактов в руки астроному и в значительной степени послужили к уяснению происхождения и развития звезд и солнечной системы.

Астрофизика шагает, именно в настоящее время, большими шагами вперед, и следует думать, что в ближайшем будущем раскрытые ею факты послужат к установлению более полной космогонической теории, чем та, которая передана нам предыдущими поколениями.

Биофизика

Биофизика (от др.-греч. βiοs — жизнь, др.-греч. φύσις — природа):

3. раздел физики и современной биологии, изучающий физические аспекты существования живой природы на всех её уровнях, начиная от молекул и клеток и заканчивая биосферой в целом;

4. это наука о физических процессах, протекающих в биологических системах разного уровня организации и о влиянии на биологические объекты различных физических факторов. Биофизика призвана выявлять связи между физическими механизмами, лежащими в основе организации живых объектов и биологическими особенностями их жизнедеятельности.

Проведение биофизических исследований требует знаний физики, биологии, химии и медицины.

Системогенез биосистем субклеточного, клеточно-тканевого, органного, организменного уровня, семья, группы, биоценоз, биосфера. Наблюдение, изучение (натурное моделирование, биопрепараты), моделирование (натурное, аналоговое, математическое) поведение систем. Наиболее известна модель клеточных автоматов.

Системогенез рассматривают: первичный системогенез, включая сложные межклеточные взаимодействия (стволовые клетки проходят стадию профилерации по месту замещения повреждений ткани); морфогенез - формитрование тканей и органов; соматогенез - телесный системогенез с функциями органов и систем на уровне организма.

Можно сказать что у истоков биофизики как науки стояла работа Эрвина Шрёдингера «Что такое жизнь с точки зрения физики» (1945), где рассматривалось несколько важнейших проблем, таких как термодинамические основы жизни, общие структурные особенности живых организмов, соответствие биологических явлений законам квантовой механики и др.

Первый Институт физики и биофизики был создан в Москве в 1927 году. Но просуществовал он недолго: в 1931 году его руководитель, академик Лазарев П.П., был арестован и Институт закрыли^[1].

Современные области исследований биофизики: влияние космогеофизических факторов на течение физических и биохимических реакций, фотобиологические процессы, математическое моделирование, физика белковых и мембранных структур, нанобиология и др.

Биофизика цветного зрения — исследование процессов восприятия света и цвета глазом с точки зрения физики и биологии, т.е. биофизики.

Зрение, в том числе цветное зрение — вид зрительного ощущения, которое возникает вследствие каскада процессов взаимодействия света с внешними долями мембран фоторецепторов сетчатки глаза. В сетчатке, где происходит первичное взаимодействие со светом через пространственные элементы (названные «нано-антеннами»^[4]), где входящие фотоны трансформируются в сигналы «трёх основных диапазонов цветов» RGB, по принципу оппонентного отбора основного цвета. Фотоны взаимодействуют со структурами клеток-фоторецепторов, в дальнейшем электрохимические сигналы трансформируются, обрабатываются в нейронных сетях сетчатки глаза.^[5]

Геофизика

В разделении геофизических дисциплин нет твёрдо установившейся терминологии. Наиболее разработанная классификация геофизических наук положена в основу рубрикации реферативного журнала «Геофизика», согласно которой в состав геофизики входят:

· геомагнетизм (учение о земном магнитном поле)

· аэрономия (учение о высших слоях атмосферы)

· метеорология — наука об атмосфере с подразделением на:

o физическую метеорологию (физику атмосферы),

o динамическую метеорологию (приложение гидромеханики к атмосферным процессам),

o синоптическую метеорологию (учение о крупномасштабных атмосферных процессах, создающих погоду, и об их прогнозе),

o климатологию;

· океанология — учение о Мировом океане, включая и физику моря;

· гидрология суши — учение о реках, озёрах и других водоёмах суши;

· гляциология — учение о всех формах льда в природе;

· физика недр Земли:

o сейсмология — учение о землетрясениях и иных колебаниях земной коры;

o тектоника — (геотектоника) — наука о структуре земной коры, типах её структурных элементов и их эволюции;

· геоморфология — учение о рельефе суши, дна океанов и морей, его формах, типах, его происхождении и эволюции, связанных с ним геологических и тектонических структурах;

· гравиметрия — учение о поле силы тяжести;

· учение о земных приливах;

· учение о современных движениях земной коры.

Указанные науки, в свою очередь, разделяются на отдельные частные дисциплины. Некоторые из них, например климатологию и гляциологию, большей частью относят к географическим наукам.

Кроме того, геофизические методы используются для разведки месторождений полезных ископаемых — разведочная геофизика, и контроля за их разработкой — промысловая геофизика.

Космология и математическая физика

Космология (космос + -логия) — раздел астрономии и физики, изучающий свойства и эволюцию Вселенной в целом. Основу этой дисциплины составляет математика, физика и астрономия. В своих задачах она часто пересекается с философией и богословием.

Ранние формы космологии представляли собой религиозные мифы о сотворении (космогония) и уничтожении (эсхатология) существующего мира.

В китайской космологии считалось, что Земля — своего рода чаша, прикрытая небом, состоящая из полусфер, вращающихся на очень низком расстоянии от Земли.

В 1922 А. А. Фридман предложил решение уравнения Эйнштейна, в котором изотропная вселенная расширялась из начальной сингулярности. Подтверждением теории нестационарной вселенной стало открытие в 1929 Э. Хабблом космологического красного смещения галактик. Таким образом, возникла общепринятая сейчас теория Большого Взрыва.

В переводной литературе, под «математической физикой» понимают также вполне конкретное направление исследований в квантовой теории поля: построение «обобщающих» теорий элементарных частиц, формулируемых, как правило, в многомерном пространстве, с привлечением струн и суперсимметрии.

Агрофизика

Агрономическая физика - наука о физических методах исследования внешних условий жизни растений и физических процессах их жизнедеятельности; разрабатывает приёмы регулирования физических условий в почве и в приземном слое воздуха. Состоит из разделов: физика почв (физика твёрдой фазы почвы, гидрофизика почвы, теплофизика почвы, физика газовой фазы почвы); физика приземного слоя воздуха (аэродинамические, радиационные и другие параметры): биофизика растений (светофизиология растений, радиобиология растений); приёмы и средства регулирования внешних условий жизни растений в целях повышения их продуктивности и скороспелости.

Агрофизика — молодая наука. Она начала формироваться лишь с начале 20 в. Развивается на основе теоретических достижений современного естествознания, в особенности физики и биофизики, а также электроники, физики полупроводников, полимеров и пластмасс. Большой вклад в Агрофизику внесли многие отечественные и зарубежные учёные: Д. Н. Прянишников, А. Г. Дояренко, Н. А. Качинский, А. А. Роде, С. И. Долгов, С. Н. Рыжов, Б. В. Дерягин, Э. Рассел (Англия), В. Шоу (США) и др. В СССР создателем школы агрофизиков является А.Ф. Иоффе.

В своих исследованиях Агрофизика пользуется вегетационным и полевым методами с применением точных приборов для оценки условий во внешней среде и изучения физиологических процессов в растениях. В частности, физические процессы взаимодействия растений со средой (тепловой и водный режимы, газообмен и др.) изучаются с привлечением современных экспериментальных средств физики, в том числе полупроводников, электронноионной аппаратуры, радиоактивных излучений и т. п. Многие приборы обладают свойством дистанционности (датчик находится на значительном расстоянии от наблюдателя). С помощью таких приборов и специальных устройств получают информацию о биологических процессах и о состоянии окружающей растения среды, сигналы о наступлении неблагоприятных условий, что позволяет прогнозировать заморозки и т. п. Одновременно разрабатываются активные методы воздействия на растение и среду (методы электромагнитного, радиоактивного, ультразвукового и др. облучения растений, приёмы тепловой и гидрологической мелиорации, средства агротехнического воздействия и т. д.).

Исследования в области Агрофизики имеют большое практическое значение. Результатами агрофизических исследований пользуются для разработки новых и совершенствования существующих агроприёмов сохранения почвенной влаги, улучшения теплового режима почв, определения лучших способов посева, скоростей обработки почвы и др. Разработанные на основании агрофизических исследований приёмы светокультуры в защищенном грунте, например, сокращают период вегетации, повышают урожай овощей. Весьма эффективно использование полимерных плёнок в овощеводстве, автоматическое регулирование режима выращивания овощей в теплицах, автоматическое поддержание оптимальных условий в хранилищах с.-х. продуктов и т. п.

Научные исследования по Агрофизики проводятся в Почвенном институте им. В. В. Докучаева, на кафедрах почвоведения университетов и с.-х. вузов, в Агрофизическом научно-исследовательском институте (См. Агрофизический научно-исследовательский институт); последний издаёт «Сборник трудов по агрономической физике». Вопросы А., в частности физики почв, обсуждаются на конгрессах Международного общества почвоведов.

Радиофизика

Радиофизика — наука, в широком смысле занимающаяся изучением колебательно-волновых процессов различной природы, в узком — изучением электромагнитных волн радиодиапазона. Исторически, основным предметом исследований радиофизики являлись радиоволны, а именно, их излучение и приём, распространение в различных средах, взаимодействие с объектами, а также поглощение. Однако, впоследствии методы радиофизики были перенесены на другие разделы физики: оптику, акустику, СВЧ электронику, полупроводниковую электронику. Была создана общая теория распространения волн, разработаны методы решения волновых уравнений для нелинейных и неравновесных сред с пространственной и временной дисперсиями.

В силу междисциплинарности данного раздела физики направления исследований во многом пересекаются с направлениями исследований в других разделах.

По решаемым задачам радиофизика может быть разделена на несколько подразделов:

· Классическая радиофизика

· Квантовая радиофизика

· Статистическая радиофизика

В рамках классической радиофизики проводятся исследования по следующим направлениям:

· Излучение и распространение радиоволн.

· Электромагнитные свойства Земли и ионосферы.

· Электродинамика движущихся и нестационарных сред.

· Радиоастрономия.

· Нелинейная акустика.

· Сейсмоакустика.

· Электрогидродинамика.

Квантовая радиофизика занимается изучением волновых свойств веществ, с учётом их квантовых свойств. В данном подразделе можно выделить следующие направления:

· Физика лазеров.

· Нелинейная оптика.

· Волоконно-оптические системы.

В рамках статистической радиофизики рассматриваются задачи распространения волн в случайнонеоднородных средах. Этот раздел имеет большое количество важных приложений, связанных с передачей сигналов в реальных средах. Среди направлений исследований можно выделить:

· Задачи радиолокации.

· Диагностика поверхностей материалов.

· Передача акустических сигналов в толще океана.

· Диагностика плазмы.

· Диагностика живых биотканей.

· Мониторинг атмосферы.

Физическая химия

Начало физической химии было положено в середине XVIII века. Термин «Физическая химия», в современном понимании методологии науки и вопросов теории познания, принадлежит М. В. Ломоносову, который в 1752 впервые читал студентам Петербургского университета «Курс истинной физической химии». В преамбуле к этим лекциям он даёт такое определение: «Физическая химия — наука, которая должна на основании положений и опытов физических объяснить причину того, что происходит через химические операции в сложных телах». Учёный в трудах своей корпускулярно-кинетической теории тепла касается вопросов, в полной мере отвечающих вышеизложенным задачам и методам. Именно такой характер носят и экспериментальные действия, служащие подтверждению отдельных гипотез и положений настоящей концепции. М. В. Ломоносов следовал таким принципам во многих направлениях своих исследований: в разработке и практической реализации основанной им же «науки о стекле», в различных опытах, посвящённых подтверждению закона сохранения вещества и силы (движения); — в работах и экспериментах, имеющих отношение к учению о растворах — им была разработана обширная программа исследований настоящего физико-химического феномена, находящаяся в процессе развития до настоящего времени.

Затем последовал более чем столетний перерыв и одним из первых в России физикохимические исследования в конце 1850-х годов начал Д. И. Менделеев.

Следующий курс физической химии читал уже Н. Н. Бекетов в Харьковском университете в 1865 году.

Первая в России кафедра физической химии была открыта в 1914 году на физико-математическом факультете Санкт−Петербургского университета, осенью приступил к чтению обязательного курса и практическим занятиям по физической химии ученик Д. П. Коновалова М. С. Вревский.

Первый научный журнал, предназначенный для публикации статей по физической химии, был основан в 1887 году В. Оствальдом и Я. Вант-Гоффом.

Физическая химия является основным теоретическим фундаментом современной химии, использующим теоретические методы таких важнейших разделов физики, как квантовая механика, статистическая физика и термодинамика, нелинейная динамика, теория поля и др. Она включает учение о строении вещества, в том числе: о строении молекул, химическую термодинамику, химическую кинетику и катализ. В качестве отдельных разделов в физической химии выделяют также электрохимию, фотохимию, физическую химию поверхностных явлений (в том числе адсорбцию), радиационную химию, учение о коррозии металлов, физико-химию высокомолекулярных соединений (см. физика полимеров) и др. Весьма близко примыкают к физической химии и подчас рассматриваются как её самостоятельные разделы коллоидная химия, физико-химический анализ и квантовая химия. Большинство разделов физической химии имеет достаточно чёткие границы по объектам и методам исследования, по методологическим особенностям и используемому аппарату.

Терминологический словарь:

1. Агрономическая физика - наука о физических методах исследования внешних условий жизни растений и физических процессах их жизнедеятельности; разрабатывает приёмы регулирования физических условий в почве и в приземном слое воздуха.

2. Астрофизика (от греч. αστρον — «светило» и φύσις — «природа») — наука на стыке астрономии и физики, изучающая физические процессы в астрономических объектах, таких как звёзды, галактики и т. д. Физические свойства материи на самых больших масштабах и возникновение Вселенной изучает космология.

3. Биофизика (от др.-греч. βiοs — жизнь, др.-греч. φύσις — природа) - это наука о физических процессах, протекающих в биологических системах разного уровня организации и о влиянии на биологические объекты различных физических факторов. Биофизика призвана выявлять связи между физическими механизмами, лежащими в основе организации живых объектов и биологическими особенностями их жизнедеятельности.

4. Геофизика — комплекс наук, изучающих как физические свойства Земли в целом, так и физические процессы, происходящие в её твёрдых сферах, а также в жидкой (гидросфера) и газовой (атмосфера) оболочках.

5. Космология (космос + -логия) — раздел астрономии и физики, изучающий свойства и эволюцию Вселенной в целом.

6. Математическая физика — это раздел математики, изучающий дифференциальные уравнения в частных производных, часто встречающихся в теоретической физике.

7. Радиофизика — наука, в широком смысле занимающаяся изучением колебательно-волновых процессов различной природы, в узком — изучением электромагнитных волн радиодиапазона.

8. Физика (от др.-греч. φύσις — природа) — область естествознания, наука, изучающая наиболее общие и фундаментальные закономерности, определяющие структуру и эволюцию материального мира. Всё естествознание базируется на законах физики.

9. Физическая химия (часто в литературе сокращённо — физхимия) — раздел химии, наука об общих законах строения, структуры и превращения химических веществ.

Список использованной литературы:

1. Всемирная история физики. С начала XIX до середины XX вв.: Я. Г. Дорфман — Москва, ЛКИ, 2011 г.- 320 с.

2. История физики в 4 книгах. Книга 2. История физики в новое время: Ф. Розенбергер — Москва, Либроком, 2010 г.- 344 с.

3. История физики в четырех книгах. Книга 1. История физики в древности и в Средние века: Ф. Розенбергер — Санкт-Петербург, Либроком, 2010 г.- 130 с.

4. История физики. В 4 книгах. Книга 3. История физики за XIX столетие. Выпуск 2: Ф. Розенбергер — Москва, Либроком, 2010 г.- 448 с.

5. Курс общей физики. Книга 2. Электричество и магнетизм: И. В. Савельев — Санкт-Петербург, АСТ, Астрель, 2003 г.- 336 с.

6. Курс общей физики. Книга 4. Волны. Оптика: И. В. Савельев — Санкт-Петербург, АСТ, Астрель, 2008 г.- 256 с.

7. Творцы физических наук: И. Я. Никифоров — Санкт-Петербург, Феникс, 2009 г.- 448 с.

Космология и математическая физика

Поиск по сайту