Доклад Связь физики с другими науками
Работа добавлена на сайт bukvasha.net: 2015-10-25Поможем написать учебную работу
Если у вас возникли сложности с курсовой, контрольной, дипломной, рефератом, отчетом по практике, научно-исследовательской и любой другой работой - мы готовы помочь.
Предоплата всего
от 25%
Подписываем
договор
Доклад
по теме «Связь физики с другими науками»
Содержание
Введение……….……………………………………………………….3
Физика и астрономия…………………………………………………………….4
Физика и техника…………………………………………………………………6
Физика и информатика…………………………………………………………...8
Физика и другие естественные науки……………………………………………9
Человек и физические поля окружающего мира………………………………10
Собственные физические поля организма человека…………………………..16
Заключение……………………………………………………………………….27
Введение
В настоящее время происходит величайшая научно-техническая революция, которая началась более четверти века назад. Она произвела глубокие качественные изменения во многих областях науки и техники. Одна из древнейших наук — астрономия переживает революцию, связанную с выходом человека в космическое пространство. Рождение кибернетики и электронных вычислительных машин революционно изменило облик математики, проложило путь к новой области человеческой деятельности, получившей название информатики. Возникновение молекулярной биологии и генетики вызвало революцию в биологии, а создание так называемой большой химии стало возможным благодаря революции в химической науке. Аналогичные процессы происходят также в геологии, метеорологии, океанологии и многих других современных науках.
Во всем мире наблюдаются глубокие качественные перемены в основных отраслях техники. Революция в энергетике связана с переходом от тепловых электростанций, работающих на органическом топливе, к атомным электростанциям. Создание индустрии искусственных материалов с необычными, но очень важными для практики свойствами произвело революцию в материаловедении. Комплексная механизация и автоматизация ведут нас к революции в промышленности и сельском хозяйстве. Транспорт, строительство, связь становятся принципиально новыми, значительно более производительными и совершенными отраслями современной техники.
Физика и астрономия
В современном естествознании, физика является одной из лидирующих наук. Она оказывает огромное влияние на различные отрасли науки, техники, производства. Рассмотрим на нескольких примерах, как физика влияет на другие области современной науки и техники.
На протяжении тысячелетий астрономы получали только ту информацию о небесных явлениях, которую им приносил свет. Можно сказать, что они изучали эти явления через узенькую щель в обширном спектре электромагнитных излучений. Три десятилетия тому назад благодаря развитию радиофизики возникла радиоастрономия, необычайно расширившая наши представления о Вселенной. Она помогла узнать о существовании многих космических объектов, о которых ранее не было известно. Дополнительным источником астрономических знаний стал участок электромагнитной шкалы, лежащий в диапазоне дециметровых и сантиметровых радиоволн.
Огромный поток научной информации приносят из космоса другие виды электромагнитного излучения, которые не достигают поверхности Земли, поглощаясь в ее атмосфере. С выходом человека в космическое пространство родились новые разделы астрономии: ультрафиолетовая и инфракрасная астрономия, рентгеновская и гамма-астрономия. Необычайно расширилась возможность исследования первичных космических частиц, падающих на границу земной атмосферы: астрономы могут исследовать все виды частиц и излучений, приходящих из космического пространства. Объем научной информации, полученной астрономами за последние десятилетия, намного превысил объем информации, добытой за всю прошлую историю астрономии. Используемые при этом методы исследования и регистрирующая аппаратура заимствуются из арсенала современной физики; древняя астрономия превращается в молодую, бурно развивающуюся астрофизику.
Сейчас создаются основы нейтринной астрономии, которая будет доставлять ученым сведения о процессах, происходящих в недрах космических тел, например в глубинах нашего Солнца. Создание нейтринной астрономии стало возможным только благодаря успехам физики атомных ядер и элементарных частиц.
Физика и техника
Физика стоит также у истоков революционных преобразований во всех областях техники. На основе ее достижений перестраиваются энергетика, связь, транспорт, строительство, промышленное и сельскохозяйственное производство.
Энергетика
Революция в энергетике вызвана возникновением атомной энергетики. Запасы энергии, хранящиеся в атомном топливе, намного превосходят запасы энергии в еще не израсходованном обычном топливе. Уголь, нефть и природный газ в наши дни превратились в уникальное сырье для большой химии. Сжигать их в больших количествах — значит наносить непоправимый ущерб этой важной области современного производства. Поэтому весьма важно использовать для энергетических целей атомное топливо (уран, торий). Тепловые электростанции оказывают неустранимое опасное воздействие на окружающую среду, выбрасывая углекислый газ. В то же время атомные электростанции при должном уровне контроля могут быть безопасны. Ведь, например, выкинутый в атмосферу из активной зоны Криптон – 85 приводит к его накоплению в атмосфере, что способствует потенциальной опасности изменения электропроводимости воздуха, облучению кожного покрова человека, что в результате приведёт к глобальным последствиям.
Термоядерные электростанции в будущем навсегда избавят человечество от заботы об источниках энергии. Как мы уже знаем, научные основы атомной и термоядерной энергетики целиком опираются на достижения физики атомных ядер.
Создание материалов с заданными свойствами привело к изменениям в строительстве. Техника будущего будет создаваться в значительной степени не из готовых природных материалов, которые уже в наши дни не могут сделать ее достаточно надежной и долговечной, а из синтетических материалов с наперед заданными свойствами. В создании таких материалов наряду с большой химией все возрастающую роль будут играть физические методы воздействия на вещество (электронные, ионные и лазерные пучки; сверхсильные магнитные поля; сверхвысокие давления и температуры; ультразвук и т. п.). В них заложена возможность получения материалов с предельными характеристиками и создания принципиально новых методов обработки вещества, коренным образом изменяющих современную технологию.
Автоматизация производства
Предстоит огромная работа по созданию комплексно-автоматизированных производств, включающих в себя гибкие автоматические линии, промышленные роботы, управляемые микрокомпьютерами, а также разнообразную электронную контрольно-измерительную аппаратуру. Научные основы этой техники органически связаны с радиоэлектроникой, физикой твердого тела, физикой атомного ядра и рядом других разделов современной физики.
Физика и информатика
Физика вносит решающий вклад в создание современной вычислительной техники, представляющей собой материальную основу информатики. Все поколения электронных вычислительных машин (на вакуумных лампах, полупроводниках и интегральных схемах) созданные до наших дней, родилась в современных лабораториях.
Современная физика открывает новые перспективы для дальнейшей миниатюризации, увеличения быстродействия и надежности вычислительных машин. Применение лазеров и развивающейся на их основе голографии таит в себе огромные резервы для совершенствования вычислительной техники.
Физика и другие естественные науки
Тесная связь физика с др. отраслями естествознания привела, по словам С. И. Вавилова, к тому, что физика глубочайшими корнями вросла в астрономию, геологию, химию, биологию и др. естественные науки. Образовался ряд пограничных дисциплин: астрофизика, геофизика, биофизика, физическая химия и др. Физические методы исследования получили решающее значение для всех естественных наук. Электронный микроскоп на несколько порядков повысил возможности различения деталей объектов, позволив наблюдать отдельные молекулы. С помощью рентгеноструктурного анализа изучаются не только кристаллы, но и сложнейшие биологические структуры. Подлинным его триумфом явилось установление структуры молекул ДНК, входящих в состав хромосом клеточных ядер всех живых организмов и являющихся носителями наследств, кода. Революция в биологии, связанная с возникновением молекулярной биологии и генетики, была бы невозможна без физики.
Человек и физические поля окружающего мира
Понятие "физические поля окружающего мира", очевидно, является широким и может включать в себя многие явления в зависимости от целей и контекста рассмотрения. Если употреблять его строго в физическом смысле, то есть как вид материи, то следует иметь в виду прежде всего электрическое, магнитное, электромагнитное, гравитационное поля и поле внутриядерных сил. В экологическом контексте в это понятие могут быть включены потоки ионизирующих частиц, акустические и вибрационные поля, атмосферные изменения и ряд других. Вся биосфера Земли: простейшие, обширные царства растений и животных и человек - находится в окружении единого материального мира, составляющего ее среду обитания. Сфера обитания является неотъемлемым условием развития жизни и одновременно суммой факторов, влияющих на живые организмы и определяющих эволюцию живой природы. Одним из существенных факторов среды обитания являются потоки излучений, действию которых подвергается все живое на нашей планете. Это электромагнитные волны, в безбрежном океане которых находится Земля, межзвездное и межгалактическое пространство, и ионизирующие излучения.
Естественные источники электромагнитных излучений
Самый длинноволновой диапазон составляют радиоволны, затем по мере укорочения длины волны следуют: инфракрасное, видимое, ультрафиолетовое, рентгеновское и гамма-излучения. Необходимо иметь в виду, что границы диапазонов приняты условно, они перекрываются друг с другом и в природе не имеют четких границ. Физическая природа всех излучений едина: все эти излучения - электромагнитные волны. В зависимости от частоты ν, а, следовательно, и энергии фотона hν, существенно меняются свойства распространения и характер взаимодействия электромагнитных волн с биологическими объектами. Основным источником естественного (природного) фона радиоволн на Земле являются атмосферные электрические явления (грозы, шаровые молнии), радиоизлучение Солнца и звезд. Интенсивность фона составляет в среднем примерно 10-7 Вт/м2. Основным естественным источником излучения в ИК, видимом и УФ-диапазонах является Солнце, а в рентгеновском и гамма-диапазонах также межзвездные и галактические объекты и события (образование сверхновых звезд, квазары, пульсары и др.). Фоновая интенсивность в этих диапазонах зависит от многих факторов, в частности от состояния атмосферы и ионосферы, магнитного поля Земли, солнечной активности и др. и может меняться в довольно широких пределах.
Электромагнитные волны, идущие от Солнца, человек ощущает в виде солнечного тепла (МК-диапазон), дневного света (видимый диапазон).
УФ-диапазон солнечного излучения проявляется в виде пигментации кожного покрова (загар). Рентгеновское и гамма-излучения человек непосредственно не ощущает. Плотность потока энергии электромагнитного излучения от Солнца на границе атмосферы составляет 1350 Вт/м2. Эту величину называют солнечной постоянной. Атмосфера поглощает солнечную энергию, поэтому интенсивность излучения у поверхности Земли в средних широтах снижается до 930 Вт/м2. Биосфера Земли, в том числе и человек, развивались в условиях относительного постоянства солнечной радиации, поэтому изменение энергии, падающей на Землю в диапазонах ИК, видимом и УФ, определяемое состоянием атмосферы и ионосферы (например, появление озоновых дыр), может отрицательно влиять на существование жизни.
Взаимодействие электромагнитных излучений с веществом
При прохождении электромагнитной волны через слой вещества толщиной х интенсивность волны I уменьшается вследствие взаимодействия
электромагнитного поля с атомами и молекулами вещества. Эффекты
взаимодействия могут быть различными в разных веществах и для разных длин волн, однако, общий закон ослабления интенсивности волн будет одинаковым : I=I0*е-mх, где I0 - интенсивность падающего излучения, m - коэффициент ослабления, зависит от природы вещества и длины волны. В общем, виде ослабление определяется поглощением и рассеянием энергии
электромагнитной волны веществом.
Радиоволны. К радиодиапазону относятся самые длинные ЭМ волны: от
λ=3*103 до 1 м (частота 105 до 3*108 Гц) - длинные, средние Короткие и УКВ-диапазоны, и микроволновой диапазон: λ от 1 до 10-3 м (частота 3*108 - 3*1011 Гц). Радиоволны, взаимодействуя с биологическими структурами, могут терять часть энергии переменного электрического поля, превращающейся в теплоту за счет генерации токов проводимости в электролитах (крови, лимфе, цитоплазме клеток) и за счет поляризации диэлектриков тканей организма. Радиоволны от искусственных источников могут иметь большую интенсивность и оказывать отрицательное влияние на жизненно важные процессы. Такими источниками являются радиовещательные и телевизионные станции, радиолокаторы и спутниковые системы связи. Они могут создавать импульсы до 30*109 Вт на частотах около 1010 Гц. Для человека, находящегося в постоянном поле, интенсивность радиоволн 0,1 Вт/м2 считается безопасной. На расстояниях более 0,5 км от радиовещательных станций радиоволны длинного, среднего, короткого и УКВ-диапазонов не вызывают значимых биофизических
эффектов. В зонах, где интенсивность радиоволн достигает 100 Вт/м2,
пребывание человека запрещено нормами всемирной организации здравоохранения (ВОЗ). Эффекты нагрева биологических тканей радиоволнами используются в медицине при проведении физиотерапевтических процедур с помощью аппаратов УВЧ, СВЧ-терапии, а также индуктотермии. ИК, видимое и УФ-излучение могут вызывать фотобиологические процессы в биоструктурах. ИК и видимые волны активируют термо- и зрительные рецепторы соответственно. Действие ИК-излучения на организм связано, прежде всего, с тепловым эффектом в поверхностных тканях. Для прогрева используют коротковолновую часть этого диапазона. Также следует напомнить, что видимые свет необходим растениям для осуществления фотосинтеза, который является основой существования земной биосферы. УФ-излучение проникает в ткани организма на глубину до 1 мм. Поглощение УФ-излучения связано с фотохимическими реакциями и может привести к появлению эритемы (покраснение и загар). Выделяют три зоны действия УФ на организм: А - антирахитная (400-315 нм) - идет синтез витамина Д; В - эритемная (315-280 нм) - синтез меланина в коже или развитие термического поражения кожи (ожога); С - бактерицидная (280-200 нм) - может вызывать канцерогенез, мутации, оказывает бактерицидный эффект. Последний используется в медицине для дезинфекции помещений. При действии дальнего УФ-излучения e>12 эВ может происходить образование свободных радикалов ароматических и серосодержащих аминокислот и пиримидиновых оснований нуклеиновых кислот, что может привести к разрушению белков и генетического аппарата клетки.
Рентгеновское и гамма-излучение обладают высокими энергиями квантов, что определяет их специфическое взаимодействие с веществом, - эти излучения являются ионизирующими. Одной из важных характеристик электромагнитного излучения. Определяющей характер его взаимодействия с биологическими объектами, является энергия фотона e. Как известно, электромагнитное излучение обладает одновременно как свойствами волны, так и частице (корпускулярно-волновой дуализм). Выраженность каждого из этих свойств зависит от длины волны. Так, в радио- и ИК-диапазоне проявляются волновые свойства (дифракция волн, интерференция), в видимом диапазоне и те и другие свойства выражены примерно одинаково (дифракция - волновые, фотоэффект - корпускулярные). С уменьшением длины волны сильнее проявляются корпускулярные свойства электромагнитного излучения. Начиная с энергии кванта, примерно равной 12 эВ (1 эВ = 1,6*10-19 Дж), что соответствует дальнему УФ, и далее в
диапазоне рентгеновского и тем более гамма-излучения, электромагнитная волна ведет себя как поток частиц. С этой условной границы электромагнитные излучения могут ионизировать вещество, и поэтому, начиная с дальнего УФ, рентгеновское и гамма-излучения относят к ионизирующим.
Собственные физические поля организма человека
Вокруг любого существуют различные физические поля, определяемые
процессами, происходящими внутри него. Не составляет в этом смысле
исключения и человек. Физические поля, которые генерирует организм в
процессе функционирования, называют собственными физическими полями
организма человека.
Многочисленные физические методы исследования организма человека,
использующие регистрацию собственных физических полей человека, позволяют получить информацию о процессах в организме, которую нельзя получить иными способами. Типичный пример - электрокардиография.
Виды физических полей тела человека. Их источники
Можно выделить четыре основные диапазона электромагнитного и три диапазона акустического излучения, которые активно изучаются в последнее время. Диапазон собственного электромагнитного излучения ограничен со стороны коротких волн оптическим излучением, а со стороны длинных волн - радиоволнами длиной около 60 см. В порядке возрастания частоты указанные выше диапазоны можно расположить следующим образом:
1)низкочастотное электрическое и магнитное поле (частоты ниже 103 Гц);
2)радиоволны сверхвысоких частот (СВЧ) (частоты 109-1010 Гц и длина волны вне тела человека 3-60 см);
3)инфракрасное (ИК) излучение (частота 1014 Гц, длина волны 3-10мкм);
4)оптическое излучение (частота 1015 Гц, длина волны 0,5 мкм).
Такой выбор диапазонов особенностями биологических объектов.
Источники электромагнитных полей различны в различных диапазонах частот. Низкочастотные поля создаются главным образом при протекании
физиологических процессов, сопровождающихся электрической активностью
органов: перистальтические сокращения гладкой мускулатуры кишечника (период около 1 мин), поляризация и деполяризация сердечной мышцы в цикле сердечного сокращения (характерное время процессов порядка 1 с),
прохождением электрического импульса по нервным волокнам (около 10 мс),
периодические процессы возбуждения и торможения в головном мозге (0,1 с). Спектр частот, соответствующих этим процессам ограничен сверху значениями, не превосходящими 1 кГц. В СВЧ и ИК-диапазонах источником физических полей является тепловое электромагнитное излучение. Измерение теплового излучения позволяет определить температуру тела
человека. Диапазон собственного акустического излучения ограничен со стороны длинных волн механическими колебаниями внутренних органов и поверхности тела (0,01 Гц), а со стороны коротких волн - ультразвуковым излучением. В частности, от тела человека регистрируются сигналы с частотой порядка 10 МГц. В порядке возрастания частоты три диапазона акустического поля включают в себя:
1) низкочастотные колебания (частоты ниже 103 Гц);
2) кохлеарную акустическую эмиссию - излучение из уха человека (частота 103 Гц);
3) ультразвуковое излучение (частота 1-10 МГц).
Источники акустических полей в различных диапазонах имеют разную природу. Низкочастотное излучение создается физиологическими процессами: дыхательные движения, сокращение сердца, пульсирующее движение крови по сосудам, сопровождающиеся колебаниями поверхности тела человека в диапазоне приблизительно 0,01 - 103 Гц. Это излучение в виде колебаний поверхности можно зарегистрировать контактными, либо бесконтактными методами, однако его практически невозможно измерить дистанционно с помощью микрофона. Это связано с тем, что идущие из глубины тела акустические волны практически полностью отражаются обратно от границы раздела "воздух-тело человека" и не выходят наружу в воздух из тела человека. Коэффициент отражения звуковых волн близок к единице из-за того, что плотность тканей человека близка к плотности воды, которая на три порядка выше плотности воздуха. У всех наземных позвоночных существует, однако, специальный орган, в котором осуществляется хорошее акустическое согласование между воздухом и
жидкой средой , - это ухо. Среднее и внутренне ухо обеспечивают передачу
почти без потерь звуковых волн их воздуха к рецепторным клеткам внутреннего уха. Соответственно, в принципе, возможен и обратный процесс – передача колебаний из уха в окружающую среду - и он обнаружен экспериментально с помощью микрофона, фиксированного в слуховом канале. Источником акустического излучения в мегагерцовом диапазоне является тепловое акустическое излучение - полный аналог соответствующего электромагнитного излучения. Оно возникает вследствие хаотического теплового движения атомов и молекул человеческого тела. Интенсивность этих акустических волн, как и электромагнитных, определяется абсолютной температурой тела. Рассмотрим некоторые виды физических полей, создаваемых телом человека, более подробно.
Низкочастотные электрические и магнитные поля
Электрическое поле человека существует на поверхности тела и снаружи, вне его. Электрическое поле вне тела человека обусловлено главным образом трибозарядами, т.е. зарядами, возникающими на поверхности тела вследствие трения об одежду или какой-то диэлектрический предмет, при этом на теле создается электрический потенциал порядка нескольких вольт. Электрическое поле непрерывно меняется во времени: во-первых, происходит нейтрализация трибозарядов - они стекают с высокоомной поверхности кожи с характерными временами 100-1000 с; во-вторых, изменения геометрии тела вследствие дыхательных движений, биения сердца и т.п. приводят к модуляции постоянного электрического поля вне человека.
Еще одним источником электрического поля вне человека является
электрическое поле сердца. Приблизив два электрода к поверхности тела,
можно бесконтактно и дистанционно зарегистрировать такую же кардиограмму, что и традиционным методом. Следует отметить, что этот сигнал во много раз меньше, чем поле трибозарядов. Контактные методы измерения электрического поля в настоящее время находят наибольшее применение в медицине: на этих принципах основаны методы кардиографии и электроэнцефалографии. Магнитное поле тела человека создается токами, генерируемыми клетками сердца и коры головного мозга. Оно исключительно мало - в 10 млн. - 1 млрд. раз слабее магнитного поля Земли. Основные медицинские применения измерений магнитных полей человека - это магнитокардиография (МКГ) и магнитоэнцефалография (МЭГ). Достоинством МКГ по сравнению с традиционной ЭКГ является возможность локализовать источники поля с высокой точностью порядка 1 см. Рассмотрим два примера приложения МКГ. 1. Локализация источников
экстрасистолии (картирование сердца). При экстрасистолии источником
возбуждения миокарда в некоторые моменты времени вместо соответствующих нервных центров сердца являются миоциты желудочка. При этом нарушается цикл сердечного сокращения, т.к. желудочек сокращается не в фазе с остальными камерами сердца и не обеспечивает выброс достаточного объёма крови в аорту. Это приводит к тяжелым расстройствам кровообращения, и некоторых тяжелых случаях радикальным средством является хирургическое вмешательство - иссечение или радиочастотная деструкция очага экстрасистолии. Для этого очень важно иметь точные координаты расположения этого очага в миокарде, которые возможно получить только методом МКГ. 2. Измерение электрических
характеристик плода на ранних стадиях развития. Слабый электрический сигнал плода замаскирован большим кардиосигналом сердца матери, поэтому записать ЭКГ развивающегося ребенка сложно. В то же время датчик магнитокардиографа можно поднести непосредственно к плоду и записать сигнал, на который материнское сердце не окажет существенного влияния, т.к. оно располагается в относительном удалении. Таким образом, регистрация электрических и магнитных полей человека позволяет получить взаимодополняющую информацию о функционировании отдельных органов человеческого организма.
Инфракрасное излучение
Наиболее яркую информацию о распределении температуры поверхности тела человека и её изменениях во времени дает метод динамического инфракрасного тепловидения. В техническом отношении это полный аналог телевидения, только датчик измеряет не оптическое излучение, отраженное от объекта, а его собственное инфракрасное излучение, не видимое глазом. Тепловизор состоит из сканера, измеряющего тепловое излучение в диапазоне волн от 3 до 10 мкм, устройства для сбора данных и электронно-вычислительного блок для обработки изображения. Диапазон 3-10 мкм выбран потому, что именно в этом диапазоне наблюдаются наибольшие отличия интенсивности излучения при изменении
температуры тела. Разновидность тепловидения, при которой исследуется временная динамика температурных полей, иногда называют динамическим тепловидением. Обрабатывая последовательные термокарты, можно определить динамику температуры в каких-то интересующих нас точках, изменения размеров определенных нагретых участков кожи. Наиболее яркий результат применения тепловидения в биологии - метод термоэнцефалоскопии, который используется в острых опытах для обнаружения и регистрации пространственного распределения температуры коры головного мозга животных. Использование этого метода позволяет "видеть" волны, распространяющиеся по коре головного мозга в ответ на различные внешние воздействия: раздражение определённых рецепторных зон, звуковую или зрительную стимуляцию, инъекции растворов и т.д.
К сожалению, тепловые карты мозга человека можно получить только в ходе
нейрохирургических операций на открытом мозге, поскольку из-за сильного
поглощения ИК-излучения скальп и толстая черепная коробка оказываются
непреодолимой преградой для сигналов из мозга. Инфракрасное тепловидение тела человека дает информацию о температуре верхних слоев кожи - рогового эпидермиса и некоторых подлежащих слоев общей толщиной около 100 мкм, поскольку, как показано специальными измерениями, электромагнитные волны ИК-диапазона затухают, пройдя в биологических тканях это расстояние. Температура кожного покрова определяется балансом тепла за счет его отдачи в окружающую среду и притока за счет крови, притекающей из "теплового ядра" организма. Поэтому фактически ИК-тепловидение это способ оценить кожный кровоток в различных участках тела. Наиболее распространенным применением тепловидения в медицине является визуализация кровоснабжения нижних конечностей. Если кровоснабжение в них нарушено, то температура дистальных участков (стопы, голени) резко снижена. Регистрируя размер областей со сниженной температурой, можно определить степень выраженности заболевания, а также эффективность лечебных мероприятий.
Динамическое тепловидение позволяет отследить изменения температуры тела при различных дозированных воздействиях - функциональных пробах., таких как тепловое или холодовое воздействие на определенные участки кожи, физические упражнения, введение препаратов, вызывающих сужение или расширение сосудов и т.д.
Оптическое излучение тела человека
Оптическое излучение тела человека регистрируется с помощью современной техники счета фотонов. В этих устройствах используются высокочувствительные фотоэлектронные умножители, способные регистрировать одиночные кванты света. Измерения, проведенные в ряде лабораторий, показали, что 1 см2 кожи человека за 1 с спонтанно излучает во все стороны от 6 до 60 квантов, главным образом в сине-зеленой области спектра. Светимости различных участков кожи отличаются - наиболее сильное излучение исходит от кончиков пальцев, гораздо слабее, например, от живота или предплечья. Это свечение не связано с наличием загрязнений на коже и зависит от функционального состояния человека: в покое снижается и повышается с ростом его активности. Можно индуцировать свечение кожи, например, с помощью обработки ее перекисью водорода или воздействия на кожу предварительной засветкой. Сильное последействие - фосфоресценцию - вызывает излучение на длине волны 254 нм, соответствующее пику поглощения ДНК. Предварительная засветка вызывает рост свечения в тысячи раз, которое потом спадает во времени по
сложной кинетической кривой. Оптическое излучение кожи не является тепловым. Интенсивность теплового излучения в оптическом диапазоне ничтожна - с 1 см2 поверхности тела один квант в среднем может излучаться лишь 1 раз за десятки секунд. Наиболее вероятный механизм спонтанного свечения - это хемилюминесценция, вызванная перекисным окислением липидов, которое сопровождается появлением радикалов, т.е. молекул в возбужденном электронном состоянии. При взаимодействии таких молекул в определенном (малом) проценте случаев происходит излучение света. При индуцированном свечении возможны и другие механизмы, например, излучение при активации определенных типов клеток крови - нейтрофилов.
Акустические поля человека
Поверхность человеческого тела непрерывно колеблется. Эти колебания
несут информацию о многих процессах внутри организма: дыхательных
движениях, биениях сердца и температуре внутренних органов. Низкочастотные механические колебания с частотой ниже нескольких килогерц дают информацию о работе легких, сердца, нервной системы. Регистрировать движения поверхности тела человека можно дистанционными или контактными датчиками в зависимости от решаемой задачи. Например, в фонокардиографии для измерения акустических шумов, создаваемых клапанами сердца, используют микрофоны, устанавливаемые на поверхности грудной клетки. Кохлеарная акустическая эмиссия. Из уха животных и человека могут излучаться звуки - это явление называют кохлеарной акустической эмиссией, поскольку их источник локализован в улитке (латинское название "cochlea") органа слуха. Эти звуки можно зарегистрировать микрофоном, расположенным в слуховом проходе. Обнаружено несколько разновидностей этого явления, таких как спонтанная эмиссия и акустическое эхо. Спонтанная эмиссия - это самопроизвольное непрерывное излучение звука из ушей человека. Уровень звукового давления достигает 20 дБ, т.е. в 10 раз выше порогового значения 2*10-5 Па, которое способно воспринимать ухо человека на частоте 1 кГц. Частоты эмиссии у разных лиц отличаются и лежат в диапазоне 0,5-5 кГц, излучение отличается высокой монохроматичностью. Эмиссия наблюдается в среднем у 25% мужчин и 50% женщин. Спонтанная эмиссия не имеет никакого отношения к "звону в ушах" - субъективному ощущению чисто нервного происхождения.
Кохлеарная акустическая эмиссия связана с деятельностью так называемых
наружных волосковых клеток. Расположенных в улитке. В ответ на приходящую звуковую волну они изменяют свои размеры и вызывают во внутреннем ухе механические колебания, которые способны, распространяясь в обратном направлении, выходить наружу через среднее ухо. Биофизический механизм быстрых изменений геометрии клеток пока неясен, его быстродействие в 100 раз выше, чем у мышц.
Из всех видов кохлеарной акустической эмиссии применение в медицине пока что нашло только явление акустического эха - излучение звуков из уха спустя некоторое время после подачи в ухо короткого звукового сигнала. Оно используется для диагностики слуха новорожденных в первые несколько дней жизни, когда невозможно использовать обычные методы аудиометрии. Отсутствие эха является тревожным симптомом не только глухоты, но и зачастую сопряженных с ней поражений различных отделов центральной нервной системы. Ранняя диагностика позволяет уже с первых дней жизни принять активные меры и в значительной степени ослабить неблагоприятные последствия этого недуга. Акустические излучения ультразвукового диапазона. Тело человека является источником теплового акустического излучения с различными частотами. Обычно акустические волны подходят из глубины тела, отражаются от его поверхности и уходят обратно, однако пьезодатчик, контактирующий с телом, может их зарегистрировать. Особенность акустических волн, распространяющихся в теле человека, состоит в том, что. Чем выше частота, тем сильнее они затухают. Поэтому из глубины человеческого тела с расстояний 1-10см могут дойти только тепловые ультразвуковые волны мегагерцевого диапазона с частотами не выше 0,5-10 МГц. Интенсивность этих волн пропорциональна температуре тела. Для измерения интенсивности теплового акустического излучения используют прибор - акустотермометр. С его помощью можно, например, измерить температуру тела человека, погруженного в воду. Существенной областью применения метода акустотермометрии в медицине является онкология, так как измерение температуры глубоких областей тела человека необходимо для точной диагностики расположения опухоли, а также для ее разрушения.
Заключение
Такая тесная связь физики с другими науками объясняется важностью физики, её значением, так как физика знакомит нас с наиболее общими законами природы, управляющими течением процессов в окружающем нас мире и во Вселенной в целом.
Цель физики заключается в отыскании общих законов природы и в объяснении конкретных процессов на их основе. По мере продвижения к этой цели перед учеными постепенно вырисовывалась величественная и сложная картина единства природы. Мир представляет собой не совокупность разрозненных, независимых друг от друга событий, а разнообразные и многочисленные проявления одного целого.
Механическая картина мира и физика. Многие поколения ученых поражала и продолжает поражать величественная и цельная картина мира, которая была создана на основе механики Ньютона. Согласно Ньютону, весь мир состоит «из твердых, весомых, непроницаемых, подвижных частиц». Эти «первичные частицы абсолютно тверды: они неизмеримо более тверды, чем тела, которые из них состоят, настолько тверды, что они никогда не изнашиваются и не разбиваются вдребезги». Отличаются они друг от друга главным образом количественно, своими массами. Все богатство, все качественное многообразие мира — это результат различий в движении частиц. Внутренняя сущность частиц остается на втором плане.
Основанием для такой единой картины мира послужил всеобъемлющий характер открытых Ньютоном законов движения тел. Этим законам с удивительной точностью подчиняются как громадные небесные тела, так и мельчайшие песчинки, гонимые ветром. И даже ветер — движение не видимых глазом частиц воздуха — подчиняется тем же законам. На протяжении долгого времени ученые были уверены, что единственными фундаментальными законами природы являются законы механики Ньютона. Французский ученый Лагранж считал, что «нет человека счастливее Ньютона: ведь только однажды одному человеку суждено построить картину мира».
Однако простая механическая картина мира оказалась несостоятельной. При исследовании электромагнитных процессов выяснилось, что они не подчиняются механике Ньютона. Дж. Максвелл открыл новый тип фундаментальных законов, которые не сводятся к механике Ньютона,— это законы поведения электромагнитного поля.
Электромагнитная картина мира и физика. В механике Ньютона предполагалось, что тела непосредственно через пустоту действуют друг на друга и эти взаимодействия осуществляются мгновенно (теория дальнодействия). После создания электродинамики представления о силах существенно изменились. Каждое из взаимодействующих тел создает электромагнитное поле, которое с конечной скоростью распространяется в пространстве. Взаимодействие осуществляется посредством этого поля (теория близкодействия).
Электромагнитные силы чрезвычайно широко распространены в природе. Они действуют в атомном ядре, атоме, молекуле, между отдельными молекулами в макроскопических телах. Это происходит потому, что в состав всех атомов входят электрически заряженные частицы. Действие электромагнитных сил обнаруживается и на очень малых расстояниях (ядро), и на космических (электромагнитное излучение звезд).
Развитие электродинамики привело к попыткам построить единую электромагнитную картину мира. Все события в мире согласно этой картине управляются законами электромагнитных взаимодействий.
Кульминации электромагнитная картина мира достигла после создания специальной теории относительности. Было понято фундаментальное значение конечности скорости распространения электромагнитных взаимодействий, создано новое учение о пространстве и времени, найдены релятивистские уравнения движения, заменяющие уравнения Ньютона при больших скоростях.
Если во времена расцвета механической картины мира делались попытки свести электромагнитные явления к механическим процессам в особой среде (мировом эфире), то теперь уже стремились, наоборот, вывести законы движения частиц из электромагнитной теории. Частицы вещества пытались рассматривать как «сгустки» электромагнитного поля. Однако свести все процессы в природе к электромагнитным не удалось. Уравнения движения частиц и закон гравитационного взаимодействия не могут быть выведены из теории электромагнитного поля. Кроме того, были открыты электрически нейтральные частицы и новые типы взаимодействия. Природа оказалась сложнее, чем предполагали вначале: ни единый закон движения, ни единственная сила не способны охватить всего многообразия процессов в мире.
Единство строения материи и физика. Мир чрезвычайно разнообразен. Но как это ни удивительно, вещество звезд точно такое же, как и вещество, из которого состоит Земля. Атомы, слагающие все тела Вселенной, совершенно одинаковы. Живые организмы состоят из тех же атомов, что и неживые.
Все атомы имеют одинаковую структуру и построены из элементарных частиц трех сортов. У них есть ядра из протонов и нейтронов, окруженные электронами. Ядра и электроны взаимодействуют друг с другом посредством электромагнитного поля, квантами которого являются фотоны.
Взаимодействие же между протонами и нейтронами в ядре осуществляют в основном π-мезоны, которые представляют собой кванты ядерного поля. При распаде нейтронов появляются нейтрино. Кроме того, открыто много других элементарных частиц. Но только при взаимодействии частиц очень больших энергий они начинают играть заметную роль.
В первой половине XX века был открыт фундаментальный факт: все элементарные частицы способны превращаться друг в друга.
В 70-е гг. было установлено, что все сильно взаимодействующие частицы состоят из субэлементарных частиц — кварков шести видов. Истинно элементарными частицами являются лептоны и кварки.
После открытия элементарных частиц и их превращений на первый план единой картины мира выступило единство в строении материи. В основе этого единства лежит материальность всех элементарных частиц. Различные элементарные частицы — это различные конкретные формы существования материи.
Современная физическая картина мира и роль физики. Единство мира не исчерпывается единством строения материи. Оно проявляется и в законах движения частиц, и в законах их взаимодействия.
Несмотря на удивительное разнообразие взаимодействий тел друг с другом, в природе по современным данным имеются лишь четыре типа сил. Это гравитационные силы, электромагнитные, ядерные и слабые взаимодействия. Последние проявляются главным образом при превращениях элементарных частиц друг в друга. С проявлением всех четырех типов сил мы встречаемся в безграничных просторах Вселенной, в любых телах на Земле (в том числе и в живых организмах), в атомах и атомных ядрах, при всех превращениях элементарных частиц.
Революционное изменение классических представлений о физической картине мира произошло после открытия квантовых свойств материи. С появлением квантовой физики, описывающей движение микрочастиц, начали вырисовываться новые элементы единой физической картины мира.
Разделение материи на вещество, имеющее прерывное строение, и непрерывное поле потеряло абсолютный смысл. Каждому полю соответствуют кванты этого поля: электромагнитному полю — фотоны, ядерному — π-мезоны, а на более глубоком уровне — глюоны, осуществляющие взаимодействие кварков.
В свою очередь все частицы обладают волновыми свойствами. Корпускулярно-волновой дуализм присущ всем формам материи.
Описание, казалось бы, взаимоисключающих корпускулярных и волновых свойств в рамках одной теории оказалось возможным благодаря тому, что законы движения всех без исключения микрочастиц носят статистический (вероятностный) характер. Этот факт делает невозможным однозначное предсказание того или иного поведения микрообъектов.
Принципы квантовой теории являются совершенно общими, применимыми для описания движения всех частиц, взаимодействий между ними и их взаимных превращений.
Итак, современная физика с несомненностью демонстрирует нам черты единства природы. Но все же многого, быть может даже саму физическую суть единства мира, уловить пока еще не удалось. Неизвестно, почему существует столь много различных элементарных частиц, почему они имеют те или иные значения массы, заряда и других характеристик. До сих пор все эти величины определяются экспериментально.
Однако все отчетливее вырисовывается связь между различными типами взаимодействий Электромагнитные и слабые взаимодействия уже объединены в рамках одной теории. Выяснена структура большинства элементарных частиц.
«Здесь скрыты столь глубокие тайны и столь возвышенные мысли, что, несмотря на старания сотен остроумнейших мыслителей, трудившихся в течение тысяч лет, еще не удалось проникнуть в них, и радость творческих исканий и открытий все еще продолжает существовать». Эти слова, сказанные Галилеем три с половиной столетия назад, нисколько не устарели.
Научное мировоззрение. Фундаментальные законы, устанавливаемые в физике, по своей сложности и общности намного превосходят те факты, с которых начинается исследование любых явлений. Но они столь же достоверны и столь же объективны, как и знания о простых явлениях, наблюдаемых непосредственно. Эти законы не нарушаются никогда, ни при каких условиях.
Все большее и большее число людей осознают, что объективные законы, которым следует природа, исключают чудеса, а познание этих законов позволит человечеству выжить.
Литература
1. Жданов Г.Б. «Физика и общество» // Вопр. физ. – 1993 - №8 – с 105-112.
2. «Мир физики вокруг нас» Вкн: Иванов А.С. и др. Мир мех. и техники: кн.
Для уч-ся - М – Просв;, 1993 – с 5-10
3.Гиндбург В. «какие проблемы физики и астрофизики представляются
сейчас, на пороге ХХI в, особенно важными и интересными?» // Наука и
жизнь – 1999 - №12 – с 18-22
4. Трухин В.И. «Физика и экология» // Экология и жизнь – 2000 - №3 – с 9-11
5.Козик В. Нейтрино : Беседы об основах наук // Наука и жизнь. – 200. - №2 –
с 26-32.
6.Биофизика (учебник для ВУЗов). Под ред. Проф. В.Ф.Антонова. - М.:
"Владос". - 2000 .
7.А.Н.Ремизов. Медицинская и биологическая физика. - М.: Высшая школа.
-1999.
8.М.В.Волькенштейн. Молекулы и жизнь. - М.: Наука. - 1965
