КОНЦЕПЦИИ СОВРЕМЕННОГО ЕСТЕСТВОЗНАНИЯ

Издательско-торговая корпорация «Дашков и К°»

М. К. Гусейханов, О. Р. Раджабов

КОНЦЕПЦИИ

СОВРЕМЕННОГО

ЕСТЕСТВОЗНАНИЯ

Издание шестое, переработанное и дополненное Рекомендовано Министерством образования и науки

Ihtik.lib.ru

 

Содержание

Введение......................................................................................... 9

Глава 1. ЕСТЕСТВОЗНАНИЕ КАК ЕДИНАЯ НАУКА

О ПРИРОДЕ.......................................................................... 13

1.1.Естественно-научная и гуманитарная культуры.................. 13

1.2. Место науки в системе культуры и ее структура................. 14

1.3. Характерные черты науки...................................................... 18

1.4. Естествознание — фундаментальная наука.......................... 21

Глава 2. ХАРАКТЕРИСТИКА ЕСТЕСТВЕННО
НАУЧНОГО ПОЗНАНИЯ.................................................. 26

2.1. Структура научного познания............................................... 26

2.2. Основные методы научного исследования........................... 29

2.3. Динамика развития науки. Принцип соответствия............... 36

Глава 3. ВАЖНЕЙШИЕ ЭТАПЫ РАЗВИТИЯ

ЕСТЕСТВОЗНАНИЯ.......................................................... 41

3.1. Система мира античных философов..................................... 41

3.2. Геоцентрическая и гелиоцентрическая системы строения мира 49

3.3. Механистическая и электромагнитная картины мира_____ 55

3.4. Современная естественно-научная картина мира................ 60

Глава 4. КОНЦЕПЦИЯ ОТНОСИТЕЛЬНОСТИ

ПРОСТРАНСТВА И ВРЕМЕНИ........................................ 69

4.1.Понятие пространства и времени.......................................... 69

4.2. Измерение времени................................................................ 73

4.3. Пространство и время в специальной теории относительности 76

4.4. Общая теория относительности о пространстве

и времени................................................................................ 86

Глава5. СТРОЕНИЕ МАТЕРИАЛЬНОГО МИРА................ 94

5.1. Структурное строение материального мира........................ 94

5.2. Краткая характеристика микромира..................................... 95

5.3. Краткая характеристика макромира.................................... 100

5.4. Краткая характеристика мегамира....................................... 106

Глава 6. ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ И ДВИЖЕНИЕ

СТРУКТУР МИРА.............................................................. 113

6.1. Четыре вида взаимодействий и их характеристика............ 113

6.2. Концепции близкодействия и дальнодействия.................... 116

6.3. Вещество, поле, вакуум. Принцип суперпозиции............... 117

6.4. Фундаментальные постоянные мироздания........................ 119

6.5. Антропный космологический принцип................................ 123

6.6. Характер движения структур мира...................................... 126

Глава 7. ОСНОВНЫЕ ЗАКОНОМЕРНОСТИ

МИКРОМИРА........................................ ........................... 133

7.1. Элементарные частицы........................................................ 133

7.2. Корпускулярно-волновая природа микрообъектов............ 142

7.3. Концепция дополнительности.............................................. 148

7.4. Вероятностный характер законов микромира. Концепции неопределенности и причинности 150

7.5. Электронная оболочка атома............................................... 153

Глава 8. КОНЦЕПЦИИ ВЕЩЕСТВА И ЭНЕРГИИ........... .162

8.1. Многообразие форм материи.............................................. 162

8.2. Вещество и его состояния.................................................... 164

8.3. Энергия и ее проявления в природе..................................... 167

8.4. Законы сохранения в природе.............................................. 182

8.5. Законы сохранения и принципы симметрии....................... 189

Глава 9. СОСТАВ, СТРУКТУРА

И ВЗАИМОПРЕВРАЩЕНИЯ ВЕЩЕСТВ....................... 197

9.1. Концептуальные уровни в познании веществ..................... 197

9.2. Состав вещества и химические системы............................. 201

9.3. Структура вещества и его свойства..................................... 209

9.4. Химические процессы.......................................................... 213

9.5. Эволюция химических систем и перспективы химии____ 217

Глава 10. ПРИРОДА МЕГАМИРА......................................... 222

10.1. Расстояния и размеры в мегамире..................................... 222

10.2. Земля как планета и природное тело................................. 230

10.3. Состав и строение Солнечной системы............................. 243

10.4. Солнце, звезды и межзвездная среда................................. 253

10.5. Галактики............................................................................ 259

Глава 11. ХАРАКТЕР ЕСТЕСТВЕННО-НАУЧНЫХ

ЗАКОНОМЕРНОСТЕЙ ПРИРОДЫ................................ 269

11.1. Детерминизм процессов природы...................................... 269

11.2. Термодинамика и концепция необратимости.................... 273

11.3. Проблема "тепловой смерти Вселенной".......................... 279

Глава 12. ПРОИСХОЖДЕНИЕ И ЭВОЛЮЦИЯ

ВСЕЛЕННОЙ...................................................................... 286

12.1. Большой взрыв и расширяющаяся Вселенная.................. 286

12.2. Начальная стадия Вселенной............................................. 292

12.3. Космологические модели Вселенной................................ 297

Глава 13. ПРОИСХОЖДЕНИЕ И ЭВОЛЮЦИЯ

НЕБЕСНЫХ ТЕЛ, ЗЕМЛИ................................................ 301

13.1. Происхождение и эволюция галактик и звезд.................... 301

13.2. Происхождение планет Солнечной системы..................... 307

13.3. Происхождение и эволюция Земли.................................... 317

13.4. Космос и Земля................................................................... 330

Глава 14. КОНЦЕПЦИИ ПРОИСХОЖДЕНИЯ ЖИЗНИ.. .343

14.1. Концепции происхождения жизни на Земле...................... 343

14.2. Классификация уровней биологических структур

и организация живых систем............................................... 357

14.3. Генная инженерия и биотехнология................................... 363

14.4. Проблемы происхождения жизни во Вселенной............... 367

Глава 15. ЭВОЛЮЦИЯ ЖИВОЙ ПРИРОДЫ........ .............. 374

15.1. Доказательства эволюции живого...................................... 374

15.2. Пути и причины эволюции живого..................................... 378

15.3. Эволюционная теория Дарвина.......................................... 381

15.4. Современная теория органической эволюции................... 384

15.5. Синтетическая теория эволюции........................................ 387

15.6. Другие концепции эволюции живого.................................. 389

Глава 16. КОНЦЕПЦИЯ ПРОИСХОЖДЕНИЯ

И ЭВОЛЮЦИИ ЧЕЛОВЕКА............................................ 397

16.1. Человек как предмет естественно-научного познания... 397

16.2. Сходства и отличия человека от животных....................... 399

16.3. Концепции появления человека на Земле. Антропология 402

16.4. Эволюция культуры человека. Социобиология................. 410

16.5. Проблемы поиска внеземных цивилизаций....................... 415

16.6. Проблема связи с внеземными цивилизациями................. 420

Глава 17. ЧЕЛОВЕК................................................................. 425

17.1. Физиология человека.......................................................... 425

17.2. Эмоции и творчество.......................................................... 432

17.3. Здоровье и работоспособность.......................................... 435

17.4. Вопросы биомедицинской этики........................................ 440

Глава 18. УЧЕНИЕ О БИОСФЕРЕ И ЭКОЛОГИИ............. 448

18.1. Биосфера............................................................................. 448

18.2. Экология.............................................................................. 453

18.3. Современные проблемы экологии..................................... 456

18.4. Ноосфера..................................... ,...................................... 460

18.5. Демографическая проблема............................................... 467

Глава 19. МЕТОДЫ СОВРЕМЕННОГО

ЕСТЕСТВОЗНАНИЯ......................................................... 474

19.1. Системный метод исследования........................................ 474

19.2. Кибернетика — наука о сложных системах...................... 479

19.3. Методы математического моделирования........................ 481

19.4. Математическое моделирование в экологии..................... 484

Глава 20. САМООРГАНИЗАЦИЯ В ПРИРОДЕ................... 491

20.1.Парадигма самоорганизации.............................................. 491

20.2.Синергетика........................................................................ 493

20.3.Особенности эволюции неравновесных систем................ 495

20.4.Самоорганизация — источник и основа эволюции........... 498

20.5.Самоорганизация в различных видах эволюции............... 503

Глава 21. СОВРЕМЕННОЕ ЕСТЕСТВОЗНАНИЕ

И БУДУЩЕЕ НАУКИ........................................................ 508

21.1.Особенности современного этапа развития науки............ 508

21.2.Естествознание и мировоззрение....................................... 511

21.3.Естествознание и философия............................................. 514

21.4.Естествознание и научно-техническая революция........... 516

21.5.Общие закономерности современного естествознания.... 524

21.6.Современная естественно-научная картина мира

и Человек.............................................................................. 526

21.7.............................................................................................. Особенности в развитии современной науки 529

Литература.................................................................................. 535

Светлой памяти наших родителей и учителей посвящаем эту книгу

Введение

Гармонию мира способен ли Смертный постичь, Чей приход и уход Для него самого непонятен?

Ибн Сина (Авиценна)

Государственные образовательные стандарты высшего профессионального образования Российской Федерации требуют освоения студентами гуманитарных и социально-экономических специальностей учебного курса по дисциплине "Концепции современного естествознания". Включение данной дисциплины в программу гуманитарных факультетов вузов обусловлено необходимостью ознакомления студентов с неотъемлемым элементом единой культуры — естествознанием — и формирования целостного взгляда на окружающий мир. Этот курс призван содействовать получению широкого базового высшего образования, способствовать всестороннему развитию личности. Учебный курс отражает основной комплекс концепций современного естествознания, дает панораму наиболее известных методов и законов современной науки, демонстрирует специфику рационального метода познания окружающего мира. Это тем более необходимо, так как сейчас рациональный естественно-научный метод все шире проникает в гуманитарную среду, формируя целостное научное знание общества. Наука приобретает все более универсальный язык, адекватный философии, психологии, социальным наукам и даже искусству. Возникшая сегодня тенденция к гармоничному синтезу двух традиционно различных культур, гуманитарной и естественно-научной, созвучна потребностям общества в целостном мировоззрении и подчеркивает актуальность данной дисциплины.

Для изучения предлагаются те направления и проблемы, которые определяют облик современного естествознания и научный подход к культуре. Одной из задач курса является формирование представлений о картине мира как основе целостности и многообразия природы. Поэтому в программу введены важнейшие концепции современного естествознания: представления о пространстве, времени и материи; законы сохранения в мире; концепции происхождения и эволюции Вселенной, жизни и человека; биосфера и экология; специфика самоорганизации, системных методов исследования и др.

Хорошо известно стремление людей найти общее в окружающем их многообразии вещей и явлений природы. Это стремление воплотилось в представлении о единстве мира. Целостное отражение единства мира — это результат синтеза данных естественных наук: физики, астрономии, химии, биологии и др.

Исторически мировоззрение развивалось от комплекса первобытных эмпирических знаний, мифологических, религиозных представлений к философско-теоретическому мировоззрению, и, зачастую в учениях мыслителей переплетались религиозные и рациональные компоненты познания. Привнесение рациональных представлений поднимало мировоззрение на качественно новую ступень, но не снимало еще само по себе вопроса о ненаучном отражении действительности, о наличии иррационального элемента в этом мировоззрении.

Стремление к единству многообразного получило одно из своих воплощений в научных догадках мыслителей Древнего Востока, античной Греции и Рима. Следует подчеркнуть, что эти догадки, а затем гипотезы представляли собой единство естественно-научного и философского подходов к анализу действительности.

Идея о Вселенной как едином целом, законы функционирования которого доступны человеческому познанию и пониманию, сыграли и продолжают играть конструктивную роль в формировании научной картины мира. Действительно, именно эта идея краеугольным камнем лежит в мировоззренческом и методологическом основании современной науки. "Основой

всей нашей научной работы", "сильнейшей и благороднейшей из пружин научного исследования" назвал Эйнштейн убеждение в рациональном (законообразном) устройстве Вселенной. "Без веры во внутреннюю гармонию нашего мира, — подчеркивал он, — не могло бы быть никакой науки".

Становление современной естественно-научной картины мира являет собой историческую, революционную или эволюционную смену одних научных взглядов другими.

История человеческого познания — это история возникновения, развития и замены одних научных картин мира другими, которые возникают в недрах предыдущих и в процессе эволюции приближаются к объективной научной картине мира. Основными формами обобщения фактов в системе мира, которые обеспечивают эволюционное ее развитие, являются: 1) объяснение фактов в рамках существующей системы мира; 2) объяснение фактов путем введения дополнительных понятий, новых способов формализации или с помощью введения ограничений на принципы теории. Таким образом, научная революция выступает как растянутый во времени, целостный, закономерный и периодически повторяющийся этап развития научного познания, для которого характерно скачкообразное формирование новой фундаментальной научной теории или научной системы мира.

Современная научная картина мира — это картина эволюционирующей Вселенной. Эволюция Вселенной включает в себя эволюцию вещества, ее структуры, а также эволюцию живого и социального общества. Эволюция вещества сопровождалась понижением его температуры, плотности, образованием химических элементов. С эволюцией структуры связано возникновение сверхскоплений галактик, обособление и формирование звезд и галактик, образование планет и их спутников.

Таким образом, Вселенная предстает перед нами как бесконечно развертывающийся во времени и пространстве процесс эволюции материи. В этом процессе взаимосвязанными оказываются самые разнообразные объекты и явления микромира и мегамира. Выяснилось, что во все эпохи научная мысль харак-

теризовала с дополнительностью макроскопического и микроскопического аспектов.

Для студента-гуманитария особенно принципиально осознание проблем общественной жизни в их связи с основными концепциями и законами естествознания. При этом ключевые этапы развития естествознания показывают, каким образом протекал диалог науки и общества в разные исторические периоды, демонстрируя преемственность и непрерывность в изучении природы.

Данная дисциплина не представляет собой механическое соединение традиционных курсов физики, химии, биологии, экологии и других, а является продуктом междисциплинарного синтеза на основе комплексного историко-философского, культурологического и эволюционно-синергетического подходов к современному естествознанию, поэтому ее эффективное освоение возможно на основе применения новой парадигмы, способной объединить естественно-научный и гуманитарный компоненты культуры, и осознания универсальной роли метаязыка, синтезирующего фундаментальные законы естествознания, философии и синергетики.

Изучивший ее должен четко представить себе подлинное единство и целостность природы, то единое основание, на котором построено бесчисленное разнообразие предметов и явлений окружающего нас мира и из которого вытекают основные законы, связывающие микро-, макро- и мегамиры, Землю и Космос, физические и химические явления между собой и с жизнью, с разумом.

Глава 1. ЕСТЕСТВОЗН АН И Е КАК ЕДИНАЯ НАУКА О ПРИРОДЕ

Самое прекрасное, что мы можем переживать, — это таинственность. Это основное чувство, которое стоит у колыбели истинного искусства и науки.

А. Эйнштейн

Естественно-научная и гуманитарная культуры

Различия между естественно-научными и гуманитарными знаниями заключаются в том, что естественно-научные знания основаны на разделении субъекта… Методы исследований в естествознании исторически сформировались раньше, чем в… научных познаний неоднократно делались попытки перенести естественно-научные методы целиком и полностью, без учета…

Месте науки в системе культуры и ее структура

В историческом процессе определенный уровень развития общества и человека, его познавательные и творческие способ- ности, а также его воздействие и взаимоотношение с окружающей природой…

Характерные черты науки

А. П. Чехов Не всякие знания могут быть научными. В человеческом сознании содержатся такие… Чтобы знания стали научными, они должны обладать по крайней мере следующими специфическими признаками (чертами):…

Естествознание - фундаментальная наука

А. С. Пушкин Естествознание — это совокупность наук о природе, которые изучают мир в его… Таким образом, в процессе познания единства и многообразия всей природы (окружающего мира) сформировалось множество…

ВЫВОДЫ

1. Концепциями современного естествознания являются определенные способы трактовки закономерностей об окружающем мире, полученные естественными науками за последнее столетие.

2. Естествознанием называют раздел науки, который изучает мир в его естественном состоянии независимо от человека.

3. Основной принцип естествознания гласит: знания о природе должны допускать эмпирическую проверку.

4. Наука представляет собой особый рациональный способ познания мира, основанный на эмпирической проверке или математическом доказательстве. Наука как многофункциональное явление представляет собой: 1) отрасль культуры; 2) способ познания мира; 3) систему организованности.

5. Дифференциация научного знания служит необходимым этапом в развитии науки, и она направлена на более тщательное и глубокое изучение отдельных явлений и процессов определенной области действительности.

6. Интеграция научного знания осуществляется в различных формах, начиная от применения понятий, теорий и методов одной науки в другой и кончая возникшим в нашем столетии системным методом.

7. Все, что создано человеком, в отличие от данного природой, является культурой.

Вопросы для контроля знаний

2. Что такое наука? Каковы ее основные черты и отличия от других отраслей культуры? 3. Что такое естествознание и каковы его отличия от других циклов наук? 4. Охарактеризуйте классификацию естественных наук.

Глава 2. ХАРАКТЕРИСТИКА ЕСТЕСТВЕННО-НАУЧНОГО ПОЗНАНИЯ

Опыт и наблюдение — таковы величайшие источники мудрости, доступ к которым открыт для каждого человека.

У. Чэнинг

Структура научного познания

Научное познание— это объективно-истинное знание о природе, обществе и человеке, полученное в результате научно-исследовательской деятельности и, как правило, апробированное (доказанное) практикой. Естественно-научное познание структурно состоит из эмпирическогои теоретическогонаправлений научного исследования (рис. 2.1). Отправной точкой любого из этих направлений научного исследования является получение научного, эмпирического факта.

Главным в эмпирическомнаправлении исследования в некоторых областях естествознания является наблюдение. Наблюдение— это длительное, целенаправленное и планомерное восприятие предметов и явлений объективного мира. Следующей структурой эмпирического направления познания является научный эксперимент. Эксперимент— это научно поставленный опыт, с помощью которого объект или воспроизводится искусственно, или ставится в точно учитываемые условия. Отличительной особенностью научного эксперимента является то, что его способен воспроизвести каждый исследователь в любое время. Найти аналогии в различиях — необходимый этап научного исследования. Эксперимент может быть проведен на

 

моделях, т. е. на телах, размеры и масса которых пропорционально изменены по сравнению с реальными телами. Результаты модельных экспериментов можно считать пропорциональными результатам взаимодействия реальных тел. Возможно проведение мысленного эксперимента, т. е. представить себе тела, которых вообще не существует в реальности, и провести над ними эксперимент в уме. В современной науке надо проводить и идеализированные эксперименты, т. е. мысленные эксперименты с применением идеализаций. На основании эмпирических исследований могут быть сделаны эмпирические обобщения.

На теоретическомуровне познания помимо эмпирических фактов требуются понятия, которые создаются заново или берутся из других разделов науки. Понятиеесть мысль, отражающая предметы и явления в их общих и существенных чертах, свойствах сокращенно, концентрированно (например, материя, движение, масса, скорость, энергия, растение, животное, человек и др.).

Важным способом теоретического уровня исследования является выдвижение гипотез. Гипотеза— это особого рода научное предположение о непосредственно наблюдаемых или вообще неизвестных формах связи явлений или причинах, производящих эти явления. Гипотеза как предположение выдвигается для объяснения фактов, которые не укладываются в имеющиеся законы и теории. Она выражает прежде всего процесс становления знания, в теории же в большей степени фиксируется достигнутый этап в развитии науки. При выдвижении какой-либо гипотезы принимается во внимание не только ее соответствие эмпирическим данным, но и некоторые методологические принципы, получившие название критериев простоты, красоты, экономии мышления и т. п. После выдвижения определенной гипотезы исследование опять возвращается на эмпирический уровень для ее проверки. Цель — проверка следствий из этой гипотезы, о которых ничего не было известно до ее выдвижения. Если гипотеза выдерживает эмпирическую проверку, то она приобретает статус закона природы, если нет — считается отвергнутой.

Закон природы является наилучшим выражением гармонии мира. Закон— внутренняя причинная, устойчивая связь между явлениями и свойствами различных объектов, отражающая отношения между объектами. Если изменения одних объектов или явлений (причина) вызывает вполне определенное изменение других (следствие), то это означает проявление действия закона. Например, периодический закон Д. И. Менделеева устанавливает связь между зарядом атомного ядра и химическими свойствами данного химического элемента. Совокупность нескольких законов, относящихся к одной области познания, называется научной теорией.

Принцип фальсифицируемости научных положений, т. е. их свойство быть опровергаемыми на практике, остается в науке непререкаемым. Эксперимент, который направлен на опровержение данной гипотезы, носит название решающего эксперимента. Естествознание изучает мир с целью творения законов его функционирования, как продуктов человеческой де-

ятельности, отражающих периодически повторяющиеся факты действительности.

Итак, наука строится из наблюдений, экспериментов, гипотез, теорий и аргументации. Наука в содержательном плане — это совокупность эмпирических обобщений и теорий, подтверждаемых наблюдением и экспериментом. Причем творческий процесс создания теории и аргументации в их поддержку играет в науке не меньшую роль, чем наблюдение и эксперимент.

Основные методы научного исследования

Эмпирический и теоретический уровни знания различаются по предмету, средствам и результатам исследования. Знание— проверенный практикой результат… Структура научного исследования, описанная нами, представляет собой в широком… Наблюдение— это длительное, целенаправленное и планомерное восприятие предметов и явлений объективного мира. Можно…

Динамика развития науки. Принцип соответствия

Д. Бруно Развитие науки определяется внешними и внутренними факторами (рис. 2.2). К…  

ВЫВОДЫ

1. Естественно-научное познание структурно состоит из эмпирического и теоретического направлений научного иссле-

дования. В структуре эмпирического направления исследования следующая схема: эмпирический факт, наблюдения, научный эксперимент, эмпирические обобщения. В структуре теоретического метода следующая схема: научный факт, понятия, гипотеза, закон природы, научная теория.

2. Научный метод представляет собой яркое воплощение единства всех форм знаний о мире. Тот факт, что познание в естественных, технических, социальных и гуманитарных науках в целом совершается по некоторым общим правилам, принципам и способам деятельности, свидетельствует, с одной стороны, о взаимосвязи и единстве этих наук, а с другой — об общем, едином источнике их познания, которым служит окружающий нас объективный реальный мир: природа и общество.

3. Теория до тех пор остается принятой научным обществом, пока не подвергается сомнению основная парадигма (установка, образ) научного исследования. Динамика развития науки происходит следующим образом: старая парадигма — нормальная стадия развития науки — революция в науке — новая парадигма.

4. Принцип соответствия утверждает, что развитие естествознания происходит, когда новое не просто отрицает старое, отрицает с удержанием всего положительного, что было накоплено в старом.

Вопросы для контроля знаний

2. Какая разница существует между эмпирическими и теоретическими направлениями исследования? 3. Что такое научный метод и на чем он основывается? 4. В чем заключается единство научного метода?

Глава 3. ВАЖНЕЙШИЕ ЭТАПЫ РАЗВИТИЯ ЕСТЕСТВОЗНАНИЯ

Где теперь эти люди мудрейшие

нашей земли?

Тайной нити в основе творенья

они не нашли.

Как они суесловили много о

сущности Бога, —

Весь свой век бородами трясли и

бесследно ушли.

Омар Хайям

Система мира ангинных философов

была создана только в античный период.Египет, Вавилон, Древний Китай и Индия знали конкретные причинные связи явлений, пользовались некоторыми… Несмотря на высокий уровень астрономических сведений народов Древнего Востока,… В Древнем Китае существовало представление, согласно которому Земля имеет форму плоского прямоугольника, над которым…

Геоцентрическая и гелиоцентрическая системы строения мира

Р. Гамзатов Классическую форму теории эпициклических движений придал александрийский… В Средневековье надолго затормозилось развитие науки. Системы мира Аристотеля и Птолемея были признаны согласными с…

Механистическая и электромагнитная картины мира

А. И. Герцен Галилей и Кеплер, отталкиваясь от динамических и кинематических законов… Стройную логическую систему научной картине мира придали законы механики, разработанные Исааком Ньютоном и изложенные…

Т

Современная естественно-научная картина мира

Тит Лукреций Кар Современная естественно-научная картина мира является результатом синтеза… В конце XIX—начале XX в. в естествознании были сделаны крупнейшие открытия, которые коренным образом изменили наши…

ВЫВОДЫ

1. Стремление к единству многообразного окружающего мира получило одно из своих воплощений в астрономических догадках мыслителей Древнего Востока, античной Греции и Рима. Принципиальную основу новому этапу в развитии представлений об устройстве Вселенной положила гелиоцентрическая система Н. Коперника.

2. Галилей своими астрономическими открытиями дал новые аргументы в пользу идеи физической однородности Вселенной и тем самым способствовал окончательному преодолению аристотелевского принципа субстанциональной противоположности Земли и неба. Всеобщий синтез физического знания затем был произведен И. Ньютоном, заложившим фундамент величественного здания классической физики и содержавшим программу будущего развития науки. Так началось построение механистической картины мира, охватывающей все виды материи от корпускул света и атомов вещества до планет и Солнца включительно.

3. Во второй половине XIX в. на основе исследований
М. Фарадея и Д. Максвелла возникла электромагнитная картина
мира. Если в XVIII в. стремились свести все к механике, то теперь
все стремятся свести к электромагнетизму. Вне сферы элект
ромагнетизма остается только тяготение. В электромагнитной

картине, как и в механистической, господствовали однозначные причинно-следственные связи.

4. В современной естественно-научной картине мира наблюдается теснейшая связь между всеми естественными науками, здесь время и пространство выступают как единый простран ственно-временной континуум, масса и энергия взаимосвязаны, волновое и корпускулярное движения в известном смысле объединяются, характеризуя один и тот же объект, наконец, вещество и поле взаимопревращаются.

5. Можно выделить четыре следующих этапа становления картины мира: сущностную преднаучную, механистическую, электромагнитную и эволюционную. В современной естественно-научной картине мира имеет место саморазвитие, она эволюционна и необратима. В ней естественно-научное знание неразрывно связано с гуманитарным.

Вопросы для контроля знаний

2. Какие представления о мире были в древности и античности? 3. Назовите основные принципы атомистического учения о природе, обоснованные… 4. Какие положения складывают физику Аристотеля?

Глава 4. КОНЦЕПЦИЯ ОТНОСИТЕЛЬНОСТИ ПРОСТРАНСТВА И ВРЕМЕНИ

Два часа, проведенные в обществе любимой девушки, покажутся вам минутой. Напротив, если вам придется минуту посидеть на раскаленной докрасна печке, то эта минута покажется двумя часами. Вот это и есть относительность времени.

А. Эйнштейн

Понятие пространства и времени

Реальное физическое пространство принимается трехмерным, а время — одномерным. Поэтому положение произвольной точки задается тремя числами или… При практическом построении координатной системы отсчета выбирают тело отсчета… некоторую точку — начало отсчета, а также три фиксированных направления — оси координат. К ним добавляют эталонный…

Измерение времени

Г. Державин Исторически измерение времени принято проводить на основе вращения Земли… Солнца. Единицу первого периода называют сутками, а единицу второго — годом. Солнечными сутками называют промежуток…

Пространство и время в специальной теории относительности

Г. Минковский Систем отсчета бесконечно много, но среди них можно выделить класс так… ся равномерно и прямолинейно. Инерциальных систем отсчета можно выбрать сколь угодно, и все они будут относительно…

Общая теория относительности о пространстве и времени

окутан. Да будет свет! И вот явился Ньютон.

ВЫВОДЫ

1. Научное понимание пространства до XX в. мало отличалось от обыденного. Евклид построил геометрию трехмерного пространства, которая находится в основе классической науки. Декарт заполнил евклидово пространство материей, находящейся в вечном движении. Ньютон представил пространство однородным, изотропным и абсолютным.

2. Чтобы объяснить особенности распространения света в инерциальных системах отсчета, Эйнштейн предложил свою теорию относительности. В специальной теории относительности

пространство и время объединены в четырехмерный континуум, т. е. событие задается четырьмя числами — тремя координатами и моментом времени. В рамках специальной теории относительности пространство и время имеют относительный характер. При скоростях инерциальной системы, близкой к скорости света, темп времени замедляется, а размеры укорачиваются.

3. На основе евклидовой геометрии была построена теория тяготения Ньютона, а неевклидовой — общая теория относительности. Общая теория относительности утверждает, что свойства пространства определяются параметрами тел, заполняющих его. Отклонение пространства от евклидовости сказывается вблизи тяготеющих масс.

4. В специальной теории относительности показана взаимосвязь пространства и времени, т. е. утверждается, что нет времени вне пространства. В общей теории относительности показана взаимосвязь пространства-времени с материей. В сильных полях тяготения не только происходит искривление пространства, но и замедляется ход времени.

Вопросы для контроля знаний

2. Приведите формулировку принципа относительности для законов механики. 3. Что нового вносит специальная теория относительности в прежний принцип… 4. Почему специальная теория относительности постулирует постоянство скорости света?

Глава 5. СТРОЕНИЕ МАТЕРИАЛЬНОГО МИРА

Границ научного познания и предсказания предвидеть невозможно.

Д. И. Менделеев

Структурное строение материального мира

Окружающий нас мир современная наука разделяет на три области: микромир, макромир и мегамир (рис. 5.1). Это стало возможным в результате…  

Краткая характеристика микромира

К. Тимирязев Вакуум. По представлениям современной науки, вакуум — это отнюдь не пустота… фундаментальных постоянных. В одной из таких областей, видимо случайно, получился набор, годный для появления разумных…

Краткая характеристика макромира

не видишь, пока кто-нибудь не сформулирует это достаточно просто.

Краткая характеристика мегамира

Академик Ф. А. Бредихин Планеты.Начальной ступенью в иерархии объектов мегамира являются планеты (в… видимого излучения. По размерам и массам они значительно меньше звезд. Земля меньше Солнца по размеру в 109 раз, а по…

ВЫВОДЫ

1. Современная наука окружающий нас мир структурно разделяет на микро-, макро- и мегамиры. По мере возрастания размеров микромир имеет следующую структуру: вакуум, элементарные частицы, ядра, атомы, молекулы, клетки. Макромир имеет следующую структуру: вещество, индивид, вид, популяция, сообщество, биосфера. В мегамир входят: планеты, звезды, галактика, Метагалактика, Вселенная.

2. В современной науке все более четко отражается мысль о сложной микроструктуре вакуума. Применение квантовой

теории к электромагнитному полю и полям, описывающим частицы в вакууме, привело Дирака к предсказанию существования античастиц и формированию нового взгляда на пустоту.

3. Ядра — это связанные системы протонов и нейтронов, т. е. элементарных частиц. Атом есть наименьшая структурная единица химического элемента. С развитием науки было установлено, что атом имеет "планетарную" модель строения, т. е. состоит из ядра и обращающихся вокруг него электронных орбит. Учение об атомистическом строении материи, связанное с делимостью веществ, зародилось еще в древности. Молекула является наименьшей структурной единицей сложного химического соединения — вещества.

4. При определенных условиях однотипные атомы и молекулы могут собираться в огромные совокупности — макроскопические тела (вещество). Простое вещество является атомарным, сложное молекулярным.

5. Вид — это группа скрещивающихся между собой организмов, которые не могут скрещиваться с представителями других таких групп. На Земле существует 500 тыс. видов растений и 1,5 млн видов животных, в том числе позвоночных — 70 тыс., птиц — 16 тыс., млекопитающих — 12 540 видов.

6. Популяцией называется группа организмов, относящихся к одному или близким видам, занимающая определенную область, называемую местообитанием. Сообществом, или биоценозом, называют совокупность растений и животных, населяющих участок среды обитания. Совокупность сообщества и среды носит название экологической системы, или биогеоценоза. Биосферу можно определить как систему биогеоценозов или живых сообществ, т. е. совокупность живых организмов, ограниченную в пространстве и во времени, обитающую на поверхности Земли, а также взаимодействия живых систем со средой их обитания.

7. Следующей ступенью в иерархии объектов природы
являются макротела астрономического масштаба — планеты.
Наиболее распространенными объектами окружающего нас ма
териального мира являются звезды — небесные тела, подобные
нашему Солнцу и находящиеся в состоянии плазмы. Солнце,

звезды и звездные скопления, наблюдаемые на небе, образуют систему, которую мы называем нашей Галактикой. В начале XX в. было доказано, что некоторые туманные пятна, видимые в телескоп в разных участках неба, находятся вне нашей Галактики и представляют собой другие галактики. Галактики имеют тенденцию располагаться по границам гигантских ячеек. Ячеистая структура распределения галактик является наиболее крупной структурой Метагалактики — видимой части Вселенной. Система галактик и их скоплений называются Метагалактикой. Под Вселенной понимают весь окружающий нас известный нам и неизвестный мир, который мы можем познать.

Вопросы для контроля знаний

2. Что собой представляет по современным научным концепциям вакуум? 3. Элементарными частицами чего являются атом и молекула? 4. Расскажите что такой кварк.

Глава 6. ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ И ДВИЖЕНИЕ СТРУКТУР МИРА

Тому, кто сумеет постичь Вселенную с единой точки зрения, мироздание кажется неповторимым явлением и великим откровением.

Ж. Л. Д'Аламбер

Четыре вида взаимодействий и их характеристика

В природе существуют качественно различные системы связанных объектов. Ядра — связанные системы протонов и нейтронов; атомы — связанные ядра и… что любые взаимодействия каких угодно объектов могут быть сведены к… Сильные (ядерные) взаимодействия.Наличие в ядрах одинаково заряженных протонов и нейтральных частиц говорит о том, что…

Концепции близкодействия и дальнодействия

А. Эйнштейн Близкодействие и дальнодействие—это взаимно противоположные взгляды для… структур. По концепции близко действиялюбое взаимодействие на материальные объекты может быть передано только между…

Вещество, поле, вакуум. Принцип суперпозиции

Из Екклесиаста Вся совокупность элементарных частиц с их взаимодействиями проявляет себя… поля. Поле в отличие от вещества обладает особыми свойствами. Физическая реальность электромагнитного поля видна хотя…

Фундаментальные постоянные мироздания

Александр Поп Фундаментальные мировые постоянные — это такие константы, которые дают… Планка h определяет минимальное изменение физической величины, называемое действием, и играет фундаментальную роль в…

Антропный космологический принцип

Б. Шоу Идеи антропного космологического принципа, развивавшиеся в последнем… Почему из бесконечной области всевозможных значений фундаментальных мировых постоянных, характеризующих физические…

Характер движения структур мира

М. Гамидов Все структурные объекты материального мира находятся в состоянии непрерывного… В вакууме происходит движение виртуальных частиц, в ядрах протоны и нейтроны вращаются вокруг своих осей; в атомах…

ВЫВОДЫ

1. Современная наука любые взаимодействия структур окружающего мира сводит к четырем основным фундаментальным взаимодействиям: сильному, электромагнитному, слабому и гравитационному. Сильное взаимодействие является наиболее интенсивным и оно обусловливает связь между протонами и нейтронами в атомных ядрах, но действует на коротких расстояниях. Электромагнитное взаимодействие проявляется между заряженными телами; оно менее интенсивно, но радиус его действия не ограничен. Слабое взаимодействие возникает между субатомными частицами, еще менее интенсивное и короткодействующее, оно вызывает медленно протекающие процессы с элементарными частицами, в частности с так называемыми квазичастицами. Гравитационное взаимодействие — наименее

интенсивно и проявляется при взаимодействии больших масс, радиус его действия не ограничен.

2. Близкодействие и дальнодействие — это взаимно противоположные взгляды для объяснения распространения взаимодействий между структурами. По концепции близкодействия любое взаимодействие между структурами может быть передано только между соседними точками пространства за конечный промежуток времени. Дальнодействие допускает действие на расстоянии с мгновенной скоростью, т. е. фактически вне времени и пространства. Окончательное утверждение принципа близкодействия пришло с выработкой концепции физического поля как материальной среды.

3. Все структуры окружающего мира находятся в состоянии непрерывного движения. Движение является всеобщей формой существования материи. Всякое движение может описываться только по отношению к другим телам, которые могут приниматься за системы отсчета, связанные с определенной системой координат. Все системы отсчета являются равноценными для описания законов природы.

4. Сущность антропного космологического принципа состоит в том, что жизнь является неотъемлемой частью Вселенной, естественным следствием ее эволюции. Из-за того что в очень ранней Вселенной реализовались величины и условия, приведшие к вполне конкретным значениям современных фундаментальных физических постоянных, характеризующих физические взаимодействия, стало возможным наличие известной нам Вселенной, и мы имеем способность познавать именно ее.

5. В нашей Вселенной осуществляется довольно-таки точная "подгонка" числовых значений фундаментальных констант, необходимая для существования ее основных структурных элементов — ядер, атомов, звезд и галактик. Их устойчивость создает в конечном счете условия для формирования более сложных неорганических и органических структур, а в конечном счете и жизни. Возникает довольно интересный и сложный со всех точек зрения вопрос о причинах существования такой начальной "подгонки" значений фундаментальных постоянных.

Будем надеяться, что в ближайшем будущем наука даст ответы на этот вопрос.

Вопросы для контроля знаний

2. Какие взаимодействия известны в микромире? 3. Чем отличаются четыре вида взаимодействия? 4. Что понимается под близкодействием и дальнодействием?

Глава 7. ОСНОВНЫЕ ЗАКОНОМЕРНОСТИ МИКРОМИРА

В науке нет широкой столбовой дороги, и только тот может достигнуть ее сияющих вершин, кто, не страшась усталости, карабкается по ее каменистым вершинам.

К. Маркс

Элементарные частицы

Под элементарными частицамиможно понимать такие микрочастицы, внутреннюю структуру которых на современном уровне развития науки нельзя представить… сильное, электромагнитное, слабое и гравитационное. Интенсивность… Элементарные частицы обычно подразделяют на четыре класса. К одному из них относится только одна частица — фотон.…

Корпускулярно-волновая природа микрообъектов

В. И. Ленин Микромир образуют микрочастицы, которыми являются элементарные частицы… Раз поведение атомов так непохоже на наш обыденный опыт, то к нему очень трудно привыкнуть. И новичку в науке, и…

Концепция дополнительности

Б. Шоу Изложенное приводит к выводу о том, что наличие волновых свойств у движущихся… представляет универсальное явление, не связанное с какой-либо спецификой движущейся частицы. В силу такой кажущейся…

Вероятностный характер законов микромира. Концепции неопределенности и причинности

А. Эйнштейн Принципиальное отличие квантовой механики от классической состоит также в том,… Двойственная корпускулярно-волновая природа частиц, изучаемых в квантовой механике, статистический смысл -функции,…

Электронная оболочка атома

Н.Бор В 1925 г. В. Паули установил квантово-механический закон, называемый принципом… Всвоей простейшей формулировке он гласит: в любом атоме не может быть двух электронов, находящихся в двух одинаковых…

ВЫВОДЫ

1. Обнаружено, что элементарные частицы могут взаимно превращаться, т. е. не являются "последними кирпичиками" мироздания. Стало ясно, что число элементарных частиц не должно быть особенно большим.

2. В механике микромира уравнение Шредингера для волновой функции играет ту же роль, что и уравнение Ньютона в классической механике. В уравнении, объясняющем поведение электрона в атоме, содержится волновая функция, квадрат модуля которой определяет положение электрона в данной точке в каждый момент времени. Главным открытием квантовой механики является вероятностный характер законов микромира.

3. Частицам вещества в микромире присущ корпускуляр-но-волновой дуализм: в одних явлениях они проявляют волновые свойства, а в других — корпускулярную природу. Поэтому для изучения свойств микромира применяют принцип дополнительности, введенный Н. Бором в 1927 г.

4. Фундаментальным в квантовой теории является принцип неопределенности, определяющий границы применимости классических представлений при описании свойств микромира. Невозможно с одинаковой точностью определить и положение, и импульс микрочастиц.

5. В результате экспериментов по рассеянию а-частиц
Резерфордом была предложена планетарная модель строения
атома. При заполнении электронами орбит в атоме соблюдается

принцип Паули: два электрона не могут находиться в одном и том же энергетическом состоянии.

6. Важнейший философский вывод из квантовой механики заключается в принципиальной неопределенности результатов измерений и, следовательно, невозможности точного предвидения будущего в микромире.

Вопросы для контроля знаний

2. Охарактеризуйте строение атома по модели Э. Резерфорда. 3. Что принципиально нового внес в эту модель Н. Бор? 4. Какие частицы называются элементарными и где они были открыты?

Глава 8. КОНЦЕПЦИИ ВЕЩЕСТВА И ЭНЕРГИИ

Есть многое на свете, друг Гораций, что и не снилось нашим мудрецам. У. Шекспир

Многообразие форм материи

Субстанциональностьматерии состоит в том, что объективная реальность есть причина самой себя, она не сотворима и не уничтожима. Активностьматерии выражается в ее беспредельной способности к самодвижению,… Сохраняемостьматерии заключается в том, что она как объективная реальность не может возникать из ничего и бесследно…

Вещество и его состояния

К. Тимирязев Вещество — один из видов материи, из которого состоит весь окружающий нас мир.… В зависимости от условий среды вещество может находится в твердом, жидком, газообразном и плазменном агрегатных…

Энергия и ее проявления в природе

К. Э. Циолковский Понятие энергии занимает фундаментальное положение в структуре современного… ют единую меру различных форм движения и взаимодействия материи. Она проявляется во множестве различных видов.

Законы сохранения в природе

в сокровенной тетради, от людей утаил я, своей безопасности ради.

I

значения соответствует эквивалентное убывание энергии покоя от первоначального значения до конечного значения. А так как масса и энергия связаны соотношением Е = mс², то убывание энергии покоя проявляется как уменьшение массы покоя

m₀ на величину и называется она дефектом массы.

В результате создается впечатление о "превращении массы в кинетическую энергию".

Согласно закону сохранения энергии, полная энергия Е остается неизменной при любых процессах, однако этот закон не запрещает превращение энергии из одной формы в другую. В принципе возможны как процессы превращения энергии покоя Е₀ в кинетическую энергию, так и обратный процесс преобразования кинетической энергии в энергию покоя. В соответствии с соотношением Е = mс² первый процесс должен сопровождаться уменьшением массы ("превращением массы в энергию"), а второй — увеличением массы ("превращением кинетической энергии в массу"). Особенно заманчивым является процесс преобразования энергии покоя в кинетическую энергию ("превращение массы в энергию").

Мерой механического движения тела является количество движения, или импульс, определяемый как произведение его массы m на скорость v. Импульс Р является векторной величиной, направленной так же, как скорость точки. В случае механической системы импульс ее определяется как геометрическая сумма импульсов всех ее точек или произведение массы всей системы на скорость ее центра масс.

 

где m — масса всей системы, а — скорость ее центра масс.

Изменение импульса системы происходит под действием только внешних сил, т. е. сил, действующих на систему со стороны тел, не входящих в эту систему. Одним из важных законов природы является закон сохранения импульса, который утверждает, что импульс замкнутой системы не изменяется с течением времени. Для замкнутой системы, в которой не испы-

тывает внешних воздействий или когда геометрическая сумма действующих на систему внешних сил равна нулю, импульс системы сохраняется постоянным. Отсюда следует также, что при любых процессах, происходящих в замкнутой системе, скорость ее центра инерции сохраняется неизменной. Для материальной точки закон сохранения импульса означает, что в отсутствие внешних сил она движется с постоянной скоростью по прямой линии.

Если система не замкнутая, но равнодействующая внешних сил равна нулю, то импульс системы остается постоянным так же, как если бы внешних сил не было совсем. Обычно приходится иметь дело с незамкнутыми системами, для которых равнодействующая внешних сил отлична от нуля и импульс системы не постоянный. Однако если проекция главного вектора внешних сил на какую-либо ось, неподвижную относительно инерциальной системы отсчета, тождественно равна нулю, то проекция на эту же ось вектора импульса системы не зависит от времени. Этот закон называют законом сохранения проекции импульса.

Основополагающим является также закон сохранения момента импульса системы (тела). В классической механике моментом импульса частицы (моментом количества движения) называют векторное произведение:

 

где r, Р — радиус-вектор и вектор импульса частицы.

Этот закон утверждает, что момент импульса замкнутой системы тел относительно любой неподвижной точки не изменяется с течением времени. Если момент внешних сил относительно неподвижной оси вращения тела тождественно равен нулю, то момент импульса тела относительно этой оси не изменяется в процессе движения.

Данный закон может быть обобщен на любую незамкнутую систему тел: если результирующий момент всех внешних сил, приложенных к системе, относительно какой-либо неподвижной оси равен нулю, то момент импульса системы относительно той же оси не изменяется с течением времени. В частности, этот закон справедлив для замкнутой системы тел.

В электрических явлениях фундаментальным является закон сохранения электрического заряда. Для замкнутой системы частиц суммарный электрический заряд системы со временем не изменяется, т. е. остается постоянным.

Наиболее ярко проявление законов сохранения мы наблюдаем в мире элементарных частиц. Здесь действует правило: разрешено все, что не запрещают законы сохранения. Последние играют роль правил запрета, регулирующих взаимопревращение частиц. Прежде всего отметим законы сохранения энергии, импульса и электрического заряда. Эти три закона, например, объясняют стабильность электрона. Из сохранения энергии и импульса следует, что суммарная масса покоя продуктов распада должна быть меньше массы покоя распадающейся частицы. Значит, электрон мог бы распадаться только на нейтрино и фотоны. Но эти частицы электрически нейтральны. Вот и получается, что электрону просто некому передать свой электрический заряд; поэтому он стабилен. Существует много специфических параметров, сохранения которых регулирует взаимопревращение частиц, — барионный заряд, лептонный заряд, четность (пространственная, временная, зарядовая), странность, очарование и др. Некоторые из них не сохраняются в процессах, обусловленных слабым взаимодействием (четность, странность, "очарование").

Согласно, например, закону сохранения барионного заряда, в любом процессе должна оставаться неизменной разность между числом барионов и антибарионов. Протон—барион с наименьшей массой; следовательно, среди продуктов его распада барионов быть не может. Этим объясняется стабильность протона — его распад приводил бы к некомпенсированному уничтожению бариона.

Законы сохранения и принципы симметрии

Харлоу Шепли Среди всех физических законов своей всеобщностью, высшей степени… хранения энергии импульса, момента импульса и ряда других величин. Своим происхождением эти законы сохранения обязаны…

Г

процесс протекает одинаковым образом независимо от того, когда он начался. При этом условия, существенные для процесса, в будущем должны быть такие же, как и в прошлом. Свойство однородности времени позволяет сравнить результаты опытов, проделанных в разное время. Однородность времени нужно понимать как физическую неразличимость всех моментов времени свободных объектов. Другими словами, если объекты не взаимодействуют с окружением, то для них любой момент времени может быть принят за начальный. Мы считаем, что изученные закономерности в поведении атомов были теми же самыми и многие миллионы лет тому назад. Отсутствие однородности времени вело бы к тому, что люди не могли бы прогрессировать в познании.

Однородность времени, т. е. симметрия по отношению к преобразованию t = t₀ + t', приводит к закону сохранения энергии. Этот закон выполняется для систем, находящихся в неизменных во времени внешних условиях. Такие условия создаются только потенциальными внешними полями и называются стационарными. Действительно, выбор начала отсчета времени несущественен, если только неизменны во времени внешние условия, в которых находится система. Энергия, таким образом, может быть определена как физическая величина, сохранение которой обусловлено указанной симметрией.

2. Симметрия по отношению к сдвигу начала координат, или свойство однородности пространства, означает, что все точки физического пространства эквиваленты. Эта эквивалентность выражается в том, что явление, произошедшее в одной области пространства, повторится без изменений, если будет вызвано в другом месте. При этом необходимо перенести в новое место всю совокупность факторов существенно обусловливающих явление. Отметим, что надо сравнивать результаты одинаковых экспериментов, поставленных в разных лабораториях.

Однородность пространства означает, что любая его точка физически равноценна, т. е. перенос любого объекта в пространстве никак не влияет на процессы, происходящие с этим объектом.

Так, мы совершенно уверены, что свойства атомов у нас на Земле, в условиях Луны, других планет и на Солнце одни и те же. Если бы эти кажущиеся столь очевидными свойства однородности пространства и времени отсутствовали, то было бы почти бессмысленно заниматься наукой. В самом деле, представьте себе, к чему бы вело отсутствие однородности пространства — законы физики в Москве были бы одни, в Махачкале — другие.

Однородность пространства, т. е. симметрия по отношению к преобразованию сдвига , приводит к закону сохра-

нения импульса.

Закон сохранения импульса соблюдается для изолированных систем. Импульс, или количество движения, таким образом, является физической величиной, сохранение которой связано с однородностью пространства.

3. Симметрия по отношению к повороту координатных осей,
или свойство изотропности пространства, есть физическая эк
вивалентность направлений в пространстве. Она выражается
в том, что в повернутой установке, аппаратуре, лаборатории и
т. д. все процессы протекают точно так же, как и до поворота.
При этом повороту должно быть подвергнуто все, определяющее
течение процесса.

Изотропность пространства, т. е. симметрия по отношению к поворотам, приводит к закону сохранения момента импульса. Этот закон также соблюдается для изолированных систем. Момент импульса частицы или системы сохраняется также центрально-симметричным силовым внешним полем. Момент импульса является величиной, сохранение которой связано с изотропностью пространства.

4. Симметрия по отношению к переходу от покоя к состоя
нию равномерного и прямолинейного движения, или свойство
галилеевской (нерелятивистской) инвариантности, заключается
в физической эквивалентности покоя и равномерного прямоли
нейного движения. В любой системе все процессы происходят
независимо от того, покоится система или движется равномерно
и прямолинейно, если только переход от одного состояния к дру
гому осуществляется со всем существенным окружением.

Вследствие однородности пространства и времени движение свободного тела (тело, настолько удаленное от всех окружающих тел, что можно пренебречь его взаимодействием с ними) будет равномерным, т. е. за равные промежутки времени тело должно проходить равные расстояния; оно будет к тому же и прямолинейным, ибо пространство "плоское" — Евклидово. Такое движение свободных тел называют движением по инерции. Движение тел по инерции есть проявление своеобразной симметрии пространства и времени, их однородности.

Симметрия относительно перехода к движущейся системе отсчета, т. е. по отношению к преобразованиям Галилея, в нерелятивистском случае приводит к закону сохранения инерции. Он выполняется только для изолированных систем. Закон сохранения импульса недостаточен для обоснования закона сохранения центра инерции. Необходимо знать связь между импульсом и скоростью. Эта связь устанавливается с использованием фундаментальной симметрии относительно переходов от состояния покоя к равномерному прямолинейному движению. Выполнение всех этих законов сохранения в изолированной системе означает эквивалентность всех инерциальных систем, провозглашаемую принципом относительности.

Трехмерность пространства предопределяет векторную природу импульса и момента импульса; закон сохранения этих величин — векторные законы. Одномерность времени предопределяет скалярную природу энергии и соответствующего закона сохранения.

Тот факт, что закон сохранения энергии вытекает из однородности времени, означает, что течение времени само по себе не может вызвать изменение физических состояний системы. Связь закона сохранения импульса со свойством однородности пространства означает, что перемещение системы недостаточно для изменения ее состояния; последнее может произойти только в результате взаимодействия данной системы с другими системами. Связь закона сохранения момента импульса со свойством изотропности пространства означает, что поворот системы в пространстве не изменяет ее свойств.

В классической механике законы сохранения выводят из законов движения. Так, для получения закона сохранения импульса используют второй и третий законы Ньютона. Однако законы сохранения могут быть получены не на основе законов движения, а непосредственно из принципов симметрии. Область применимости законов сохранения шире, нежели область применимости тех или иных законов движения. Законы сохранения энергии, импульса, момента импульса применяются не только в классической механике, но и в квантовой; в то время как законы динамики Ньютона в квантовой механике не работают. Для тех, кто выводит законы сохранения из принципов инвариантности, ясно, что область применения этих законов выходит за рамки любых частных теорий (гравитации, электромагнетизма и т. д.), практически обособленных друг от друга в современной физике. Очевидно, что область применения законов сохранения должна быть столь же широка, как и область применения соответствующих принципов инвариантности. Это дает основание считать законы сохранения универсальными законами.

5. Симметрия относительно зеркального отражения означает, что физические законы не меняются при замене левого на правое, а правого на левое. С симметрией законов природы относительности отражения или частиц и античастиц связаны определенные законы сохранения. С первой симметрией связано сохранение физической величины, называемой пространственной четностью, а со второй — сохранение величины, называемой зарядовой четностью. Оба этих закона сохранения не вполне универсальны, поскольку соответствующие им симметрии нарушаются в слабых взаимодействиях.

Законы сохранения занимают в естествознании особое место. Существует следующая точка зрения на эти законы: они представляют собой наиболее глубокие, фундаментальные законы природы, к которым, возможно, сведутся в будущем все закономерности естествознания. В нашем знании о мире есть три последовательные ступени. На низшей ступени находятся явления, на следующей — законы природы, на третьей — принципы симметрии. Законы природы позволяют предсказать

явления, принципы симметрии позволяют предсказать законы природы. Прогресс в научном познании мира основывается, в конечном счете, на познании принципов симметрии. Но при этом необходимо иметь в виду не просто симметрию, а симметрию в диалектической взаимосвязи с асимметрией.

ВЫВОДЫ

1. Все то, из чего состоит окружающая нас известная сейчас и познаваемая нами часть Вселенной, называют материей. Философское определение материи — это объективная реальность вне и независимо от человеческого сознания и отражаемая им. Материя существует в различных формах (например, вещество, поле).

2. Вещества Вселенной при различных температурах и давлениях могут находиться в четырех агрегатных состояниях: твердом, жидком, газообразном и плазменном.

3. Мерой различных форм движения материи является энергия. Она бывает в различных видах: механическая, тепловая, внутренняя, химическая, электрическая, магнитная, солнечная, атомная, ядерная, термоядерная и др.

4. Фундаментальными законами природы являются законы сохранения. Существуют законы сохранения различных величин: массы, энергии, количества движения, момента количества движения, заряда и др.

5. В природе существуют принципы симметрии объектов и физических законов. Различным симметриям физических законов в природе соответствуют определенные законы сохранения. Закон сохранения энергии есть следствие однородности времени. Закон сохранения импульса есть следствие однородности пространства. Закон сохранения момента импульса есть следствие изотропности пространства.

Вопросы для контроля знаний

2. Какими всеобщими свойствами обладает материя? 3. Какие основные формы и виды, материи вы знаете? 4. В чем смысл теоремы Э. Нетер?

Глава 9. СОСТАВ, СТРУКТУРА И ВЗАИМОПРЕВРАЩЕНИЯ ВЕЩЕСТВ

Истинный химик должен уметь доказывать познанное... то есть давать ему объяснение...

М. В. Ломоносов

Концептуальные уровни в познании веществ

Химию можно определить как науку, изучающую вещества и процессы их превращения, сопровождающиеся изменением состава и структуры. Химический процесс… вращаемости в результате химических реакций имеет место превращение химической… Основой химической науки является атомно-молекулярное учение (АМУ), закон сохранения материи, периодический закон и…

Состав вещества и химические системы

М. В. Ломоносов В настоящее время химическим элементомназывают вещество, все атомы которого… хотя и различаются по своей массе, вследствие чего атомные веса элементов не выражаются целыми числами.

Структура вещества и его свойства

Ф. Энгельс Характер любого химического соединения зависит не только от качественного и… влияния атомов и строения молекулы — мельчайшей химической системы.

Химические процессы

Гераклит Химический процесс(от лат. processus — продвижение) представляет собой… Все процессы, которые протекают вокруг нас, можно объединить в три большие группы.

Эволюция химических систем и перспективы химии

К. Э. Циолковский Под эволюцией химической системы понимают самопроизвольный синтез новых… сравнению с исходными веществами. Химики сегодня пришли к выводу, что, используя те же принципы, на которых построена…

ВЫВОДЫ

1. Состав, структуру вещества и закономерности их взаимопревращений изучают в химии, которая является одним из разделов естествознания.

2. Основой химической науки является атомно-молекулярное
учение, закон сохранения материи, периодический закон, теория
строения вещества, учение о химическом процессе.

3. Вещество состоит из молекул, а молекулы из атомов. Атомы в молекулах удерживаются химическими связями. Химические связи отличаются насыщаемостью. Валентность атомов определяет характер строения и химические свойства молекул.

4. Структура вещества, под которой понимают упорядоченную связь и взаимодействие между элементами системы, определяет целостные ее свойства.

5. Для вступления в химическую реакцию необходимо преодолеть некоторый энергетический барьер, соответствующий энергии активации, возможность накопления которой сильно зависит от температуры. К условиям протекания химических процессов относятся прежде всего термодинамические факторы, характеризующие зависимость реакций от температуры, давления и некоторых других условий. В еще большей степени характер и особенно скорость реакций зависят от кинетических условий, которые определяются наличием катализаторов и других добавок к реагентам, а также влиянием растворителей, стенок реактора и иных условий.

6. Актуальными проблемами современной химии являются вопросы самоорганизации и эволюции химических систем, использование катализа и биокатализа.

Вопросы для контроля знаний

2. Назовите основные перспективные направления развития современной химии. 3. Чем определяются химические свойства вещества? 4. Как объяснялись свойства в процессе эволюции химических знаний?

Глава 10. ПРИРОДА МЕГАМИРА

Пути, которыми люди проникают в суть небесных явлений, представляются мне почти столь же удивительными, как и сами эти явления.

И.Кеплер

Расстояния и размеры в мегамире

Основным методом измерения расстояния до небесных тел является метод параллактического смещения или тригонометрического параллакса, когда измеряется… В пределах Солнечной системы в качестве базиса используют радиус Земли и метод… Наибольший горизонтальный суточный параллакс имеет ближайшее к Земле небесное тело — Луна (рл = 57'). Параллаксы…

Земля как планета и природное тело

Что значит для нас называться людьми... Земное с небесным в тебе сплетено,

Состав и строение Солнечной системы

их цели все мудрецы Земли осмыслить не сумели. Где круга этого начало, где конец,

Солнце, звезды и межзвездная среда

роздымъ улетали ракеты не раз. Люди, люди — высокие звезды,

Галактики

Байрон Окружающие Солнце звезды и само Солнце составляют лишь ничтожно малую часть… Наша Галактика — это гигантский звездный остров, в состав которого входит Солнечная система. Галактика имеет…

ВЫВОДЫ

1. Наиболее распространенными объектами окружающего нас материального мира являются звезды — небесные тела, подобные нашему Солнцу и находящиеся в состоянии плазмы. Некоторые из звезд имеют обращающиеся вокруг них планетные системы, подобные Солнечной системе. Земля является макротелом астрономического масштаба, одной из девяти планет обращающихся вокруг звезды — Солнца.

2. Солнце, звезды и звездные скопления, наблюдаемые на небе, образуют систему, которую мы называем нашей Галактикой. Галактика (греч. galaktikos — млечный, молочный) — наша звездная система, включающая в себя звезды Млечного Пути — 2 • 10¹¹ звезд, в том числе Солнце со всеми планетами. В начале XX в. было доказано, что некоторые туманные пятна, видимые в телескоп в разных участках неба, находятся вне нашей Галактики и представляют собой другие галактики.

3. Галактики имеют тенденцию располагаться по границам гигантских ячеек. Ячеистая структура распределения галактик является наиболее крупной структурой Метагалактики — видимой части Вселенной. Система галактик и их скоплений называется Метагалактикой.

4. Вселенная — весь материальный мир, безграничный в пространстве, развивающийся во времени, окружающий нас и познаваемый нами. Всеобъемлющая Вселенная — это вся материя в целом, взятая во всем ее потенциально возможном пространственно-временном структурном многообразии как совокупное множество всех потенциально возможных материальных миров.

5. Космос (от греч. kosmos — строй, порядок, мир) — синоним астрономического определения Вселенной; часто выделяют так называемый ближний космос — межпланетную и околоземную среду, исследуемую при помощи космических метательных аппаратов, а также дальний космос — мир звезд и галактик.

Вопросы для контроля знаний

2. Каковы основные параметры, определяющие свойства звезд? 3. Как распределены галактики во Вселенной? 4. Чем отличаются понятия "Метагалактика" и "Вселенная"?

Глава 11. ХАРАКТЕР ЕСТЕСТВЕН НОН АУЧ Н ЫХ ЗАКОНОМЕРНОСТЕЙ ПРИРОДЫ

О сколько нам открытий чудных

Готовят просвещенъя дух

И опыт, сын ошибок трудных,

И гений, парадоксов друг,

И случай, бог-изобретатель.

А. С. Пушкин

Детерминизм процессов природы

Законы, с которыми имеет дело классическая механика, имеют универсальный характер, т. е. они относятся ко всем без исключения изучаемым объектам… от друга по законам механики положение неизвестной планеты рассчитали Д. Адамc… Наряду с ними в науке с середины XIX в. стали все шире применяться законы другого типа. Их предсказания не являются…

Термодинамика и концепция необратимости

Конфуций История открытия закона сохранения и превращения энергии привела к изучению… термодинамическом, изучающем тепловые процессы без учета молекулярного строения вещества, и молекулярно-кинетичес-ком,…

J

постоянной температуре, т. е. тепло не может перетечь самопроизвольно от холодного тела к горячему.

В первом законе речь идет о сохранении энергии, во-втором— о невозможности производства работы исключительно за счет изъятия тепла из одного резервуара при постоянной температуре, т. е. о направлении тепловых процессов в природе.

В 1865 г. немецкий физик Рудольф Клаузиус для формулировки второго закона термодинамики ввел новое понятие — "энтропия"(от греч. entropia — поворот, превращение). Клаузиус рассчитал, что существует некоторая величина S, которая подобно энергии, давлению, температуре характеризует состояние газа. Когда к газу подводится некоторое количество теплоты, AQ, то энтропия S возрастает на величину, равную AS = AQ/T.

В течение длительного времени ученые не делали различий между теплотой и температурой. Однако ряд явлений указывал на то, что эти понятия следует различать. Например, при плавлении кристаллического тела теплота расходуется, а температура тела не изменяется в процессе плавления. После введения Клаузиусом понятия энтропии стало понятно, где пролегает граница четкого различия таких понятий, как теплота и температура. Дело в том, что нельзя говорить о каком-то количестве теплоты, заключенном в теле. Это понятие не имеет смысла. Теплота может передаваться от тела к телу, переходить в работу, возникать при трении, но при этом она не является сохраняющейся величиной. Поэтому теплота определяется в физике не как вид энергии, а как мера изменения энергии. В то же время введенная Клаузиусом энтропия, как и температура, оказалась величиной, сохраняющейся в обратимых процессах; это означает, что энтропия системы может рассматриваться как функция состояния системы, ибо изменение ее не зависит от вида процесса, а определяется только начальным и конечным состоянием системы.

Было также показано, что изменение энтропии в случае обратимых процессов не происходит, т. е. AS = 0. Значит, энтропия изолированной системы в случае обратимых процессов посто-

янна. При необратимых процессах получаем закон возрастания энтропии: S > 0.

Для описания термодинамических процессов первого закона термодинамики оказывается недостаточно, ибо первое начало термодинамики не позволяет определить направление протекания процессов в природе. Тот факт, что энтропия изолированной системы не может убывать, а только возрастает и достигает максимального значения в равновесном состоянии, является отражением того, что в природе возможны процессы, протекающие только в одном направлении — в направлении передачи тепла от более горячих тел менее горячим.

Физический смысл энтропии и само понятие энтропии введено в физическую теорию, чтобы отличать в случае изолированных систем обратимые процессы, при которых энтропия максимальна и постоянна от необратимых процессов, когда энтропия возрастает.

Благодаря работам австрийского физика Людвига Больцма-на, это отличие было сведено с макроскопического уровня на микроскопический. Состояние макроскопического тела (системы), заданное с помощью макропараметров (параметров, которые могут быть измерены макроприборами, — давление, температура, объем и другие макроскопические величины, характеризующие систему в целом), называют макросостоянием. Состояние макроскопического тела, охарактеризованное настолько подробно, что оказываются заданными состояния всех образующих тело молекул, называется микросостоянием. Всякое макросостояние может быть осуществлено различными способами, каждому из которых соответствует некоторое микросостояние системы. Число возможных различных микросостояний, соответствующих данному макросостоянию, называют термодинамической вероятностью W макросостояния.

Больцман первым увидел связь между энтропией и вероятностью и связал их. В 1906 году Макс Планк вывел формулу, выражающую основную мысль Больцмана об интерпретации энтропии как логарифма вероятности состояния системы: S = k In W. Коэффициент пропорциональности к рассчитан Планком и на-

зван им постоянной Больцмана. Формула: "S = к ln W" выгравирована на памятнике Больцману на кладбище в Вене.

Таким образом, энтропия изолированной системы при протекании необратимых процессов возрастает, ибо система, предоставленная самой себе, переходит из менее вероятного состояния в более вероятное. Энтропия системы, находящейся в равновесном состоянии, максимальная и постоянная ( S = 0).

Идея Больцмана о вероятностном поведении отдельных молекул явилась развитием нового подхода при описании систем, состоящих из огромного числа частиц, впервые высказанного Д. Максвеллом. Он ввел для описания случайного характера поведения молекул понятие вероятности, вероятностный (статистический) закон. В дальнейшем Больцман также показал, что второй закон термодинамики также является следствием более глубоких статистических законов поведения большой совокупности частиц. Он же интерпретировал понятие энтропии в терминах изменения порядка в системе. Когда энтропия системы возрастает, то соответственно усиливается беспорядок в системе, т. е. энтропия выражает меру беспорядка системы. В таком случае второй закон термодинамики постулирует: энтропия замкнутой системы, т. е. системы, которая не обменивается с окружением ни энергией, ни веществом, постоянно возрастает. А это означает, что такие системы эволюционируют в сторону увеличения в них беспорядка, хаоса и дезорганизации, пока не достигнут точки термодинамического равновесия, в которой всякое производство работы становится невозможным.

Поскольку об изменении системы в классической термодинамике мы можем судить по увеличению их энтропии, то последняя и выступает в качестве своеобразной стрелы времени. Термодинамика впервые ввела в физику понятие времени в весьма своеобразной форме, а именно необратимого процесса возрастания энтропии в системе. Чем выше энтропия системы, тем больший временной промежуток прошла система в своей эволюции. Такое понятие о времени и особенно об эволюции системы в термодинамике коренным образом отличается от понятия времени и эволюции, которое лежало в основе эволюционной те-

ории Дарвина. В то время как в дарвиновской теории происхождения новых видов растений и животных путем естественного отбора эволюция направлена на выживание более совершенных организмов и усложнение их организации, в термодинамике эволюция связывалась с дезорганизацией систем. В таком случае становилось непонятным, каким образом из неживой природы, системы которой имеют тенденцию к дезорганизации, могла появиться когда-либо живая природа, где системы, напротив, стремятся к совершенствованию и усложнению своей организации. Все это показало, что результаты исследования классической термодинамики находились в явном противоречии с тем, что было хорошо известно из других направлений науки. Это противоречие оставалось неразрешенным вплоть до 60-х годов XX в., пока не появилась новая, неравновесная термодинамика, которая опирается на концепцию необратимых процессов, рассматриваемых нами в 20-й главе.

11.3. Проблема "тепловой смерти Вселенной"

Ограничение области знания лишь небольшой группой людей ослабляет философский дух народа и ведет к духовному обнищанию.

А. Эйнштейн

Классическая термодинамика оказалась не способной решить и космологические проблемы характера протекания процессов, происходящих во Вселенной. Уильям Томпсон экстраполировал принцип возрастания энтропии на крупномасштабные процессы, протекающие в природе. На основе этого Р. Клаузиус распространил этот принцип на Вселенную в целом, что привело его к гипотезе о "тепловой смерти Вселенной". Все физические процессы, согласно второму началу термодинамики, протекают в направлении передачи тепла от более горячих тел к менее горячим. Это означает, что медленно, но верно идет процесс выравнивания температуры во Вселенной. Следовательно, будущее вырисовывается перед нами в достаточно трагических тонах:

ожидается исчезновение температурных различий в природе и превращение всей мировой энергии в теплоту, равномерно распределенную во Вселенной. Отсюда Клаузиус выдвинул два постулата:

1. Энергия Вселенной всегда постоянна.

2. Энтропия Вселенной всегда растет к максимуму.

Если принять второй постулат, то необходимо признать, что процессы во Вселенной направлены в сторону достижения состояния термодинамического равновесия, соответствующего максимуму энтропии, а следовательно, состояния, характеризуемого наибольшей степенью хаоса, беспорядка и дезорганизации. В таком случае во Вселенной наступит тепловая смерть и никакой полезной работы в ней произвести будет нельзя.

Вытекающий отсюда вывод о грядущей тепловой смерти Вселенной, означает прекращение каких-либо физических процессов вследствие перехода Вселенной в равновесное состояние с максимальной энтропией. На протяжении всего дальнейшего развития этот вывод привлекает внимание ученых, ибо затрагивает не только глубинные проблемы чисто научного характера, но также философско-мировоззренческие аспекты, указывающие определенную верхнюю границу возможного существования человечества. Такие мрачные прогнозы встретили критику со стороны ряда выдающихся ученых. Однако в середине XIX в. мало было научных аргументов для опровержения мнения Р. Клаузиуса. Только единицы догадывались, что понятие закрытой, или изолированной, системы является далеко идущей абстракцией, не отражающей реальный характер систем, которые встречаются в природе.

С научной точки зрения возникают проблемы правомерности следующих экстраполяций, высказанных Клаузиусом:

1. Вселенная рассматривается как замкнутая система.

2. Эволюция мира может быть описана как смена его состояний.

3. Для мира как целого состояние с максимальной энтропией имеет смысл, как и для любой конечной системы.

Проблемы эти представляют несомненную трудность и для современной физической теории. Решение их следует искать в общей теории относительности и развивающейся на ее основе современной космологии. Многие теоретики считают, что в общей теории относительности мир как целое должен рассматриваться не как замкнутая система, а как система, находящаяся в переменном гравитационном поле. В связи с этим применение закона возрастания энтропии не приводит к выводу о необходимости в нем статистического равновесия.

Проблему будущего развития Вселенной пытался разрешить и Больцман, применивший к замкнутой Вселенной понятие флуктуации. Под флуктуацией какой-то физической величины понимается отклонение истинного значения данной величины от ее среднего значения, обусловленного, например, хаотическим тепловым движением частиц системы. Больцман принял ограничение Максвелла, согласно которому для небольшого числа частиц второе начало термодинамики не должно применяться, ибо в случае небольшого числа молекул нельзя говорить о состоянии равновесия системы. При этом он использует это ограничение для Вселенной, рассматривая видимую часть Вселенной как небольшую область бесконечной Вселенной. Для такой небольшой области допустимы небольшие флуктуационные отклонения от равновесия, благодаря чему в целом исчезает необратимая эволюция Вселенной в направлении к хаосу.

К сожалению, мечта Больцмана не сбылась в полной мере. Ему не удалось найти ключ к объединению динамики и второго начала термодинамики, а предлагаемая флуктуационная модель эволюции Вселенной имела всего лишь характер гипотезы. Скептическое отношение многих ученых к атомистической теории Больцмана (сам он был убежден в том, что отстаиваемое им учение об атомах завоюет признание через много десятков лет), трудности с определением роли второго начала термодинамики в системе естествознания, а возможно, и ряд других причин привели этого замечательного ученого к трагическому концу. В 1906 году он покончил жизнь самоубийством.

J

XX век вносит коррективы в изучение проблем эволюции Вселенной. Формируется новое междисциплинарное направление — синергетика, и на его основе возникает теория самоорганизации сложных систем. В отличие от закрытых, или изолированных, реальными системами в природе являются открытые системы. Они обмениваются с окружающей средой энергией, веществом и информацией. Опыт и практическая деятельность свидетельствовали, что понятие закрытой, или изолированной, системы представляет собой далеко идущую абстракцию и потому она слишком упрощает и углубляет действительность, поскольку в ней трудно или даже невозможно найти системы, которые бы не взаимодействовали с окружающей средой. Поэтому в новой термодинамике место закрытой изолированной системы заняло принципиально иное фундаментальное понятие открытой системы, которая способна обмениваться с окружающей средой веществом, энергией и информацией.

Открытая система не может быть равновесной, потому что ее функционирование требует непрерывного поступления из внешней среды энергии или вещества, богатого энергией. В результате такого взаимодействия система, как указывал Эрвин Шредингер, извлекает порядок из окружающей среды и тем самым вносит беспорядок в эту среду. В открытых системах также производится энтропия, поскольку в них происходят необратимые процессы, но энтропия в этих системах не накапливается, как в закрытых системах, а выводится в окружающую среду. Поскольку энтропия характеризует степень беспорядка в системе, постольку можно сказать, что открытые системы живут за счет заимствования энергии или вещества из внешней среды. Очевидно, что с поступлением новой энергии или вещества неравновесность в системе возрастает. В конечном счете прежняя взаимосвязь между элементами системы, которая определяет ее структуру, разрушается. Между элементами системы возникают новые связи, которые приводят к кооперативным процессам, т. е. к коллективному поведению ее элементов. Так, схематически могут быть охарактеризованы процессы самоорганизации открытых систем.

Как отмечает основоположник теории самоорганизации И. Р. Пригожин, переход от термодинамики равновесных состояний к термодинамике неравновесных процессов, несомненно, знаменует прогресс в развитии ряда областей науки.

ВЫВОДЫ

1. Детерминизм — это учение о всеобщей закономерной
связи явлений и процессов в окружающем мире. Причинность
является одной из форм проявления детерминизма. Исторически
в науке сложились два основных типа причинно-следственных
связей и соответственно два типа закономерностей — динами
ческие и статистические (вероятностные).

2. Современную концепцию детерминизма можно сформиро
вать следующим образом: динамические законы представляют
собой первый, низший этап в процессе познания окружающего
нас мира; статистические законы более совершенно отображают
объективные связи в природе: они являются следующим, более
высоким этапом познания.

3. Наиболее ярко динамический и статистический де
терминизм проявляется при рассмотрении тепловых про
цессов. Динамический подход характерен термодинамике.
Молекулярно-кинетическая теория использует статистичес
кий метод, интересуясь не движением отдельных молекул, а
только средними величинами, которые характеризуют дви
жение огромной совокупности частиц. Поэтому при изучении
тепловых явлений в науке используют два направления:
статистические законы и термодинамические законы, изуча
ющие тепловые процессы без учета молекулярного строения
вещества.

4. Если к системе подводится тепло и над ней производится
работа, то энергия системы возрастает до величины, равной
сумме этих величин. Невозможно осуществить процесс, единс
твенным результатом которого было бы превращение тепла в
работу при постоянной температуре. Тепло не может перетечь
самопроизвольно от холодного тела к горячему.

5. Энтропия есть мера неупорядоченности системы. Энтропия замкнутой системы, т. е. системы, которая не обменивается с окружением ни энергией, ни веществом, постоянно возрастает.

6. Основываясь на связи энтропии с вероятностью, Больцман сформулировал, что природа стремится перейти из состояния менее вероятного в состояние более вероятное. Энтропия системы, находящейся в равновесном состоянии, максимальна и постоянна.

7. Второе начало термодинамики устанавливает в природе наличие фундаментальных асимметрий, т. е. однонаправленности всех происходящих самопроизвольных процессов. Об этой асимметрии, выделенной Клаузиусом и Кельвином, говорят все окружающие нас явления. Хотя количество энергии в замкнутых системах сохраняется, распределение энергии меняется необратимым способом. Распространение принципа возрастания энтропии на всю Вселенную привело Клаузиуса и Кельвина к гипотезе "тепловой смерти Вселенной".

8. Большинство систем являются открытыми, т. е. обменивающимися энергией или веществом с окружающей средой, поэтому понятие термодинамики расширялись для открытых систем. Энтропия в открытых системах может возникать и переноситься.

9. В стационарных неравновесных состояниях производится минимальная величина энтропии, что отражает внутреннюю инерцию и устойчивость систем, поэтому, если какие-то внешние условия не позволяют системе перейти в устойчивое равновесие, она перейдет в стационарное с минимальным производством энтропии — теорема Пригожина.

Вопросы для контроля знаний

2. Почему лапласовский детерминизм оказался несостоятельным? 3. Почему причинность не совпадает с детерминизмом в целом? 4. Как можно было бы определить современный детерминизм?

Глава 12. ПРОИСХОЖДЕНИЕ И ЭВОЛЮЦИЯ

ВСЕЛЕННОЙ

Ньютоновская Вселенная пала замертво, а на ее месте оказалась Вселенная Эйнштейна. Эйнштейн не спорил с научными фактами, он поднял руку на аксиомы науки, а наука не устояла перед его напором.

Б. Шоу

Большой взрыв и расширяющаяся Вселенная

Казалось бы, небо ньютоновской космологии обещало быть безоблачным. Однако очень скоро пришлось убедиться в обратном. В течение XIX в. обнаружились… Фотометрический парадокс.Если Вселенная бесконечна и звезды в ней распределены… Гравитационный парадокс.Если Вселенная бесконечна и звезды равномерно занимают ее пространство, то сила тяготения в…

Начальная стадия Вселенной

Диоген Проблема возникновения структурности мира и жизни во Вселенной традиционно… Любая физическая теория, например уравнение Максвелла в электродинамике, ставит перед собой задачу дать полное…

Космологические модели Вселенной

Козьма Прутков Таким образом, сейчас Метагалактика расширяется, а что будет с ней в будущем?…  

Выводы

1. Космологическими проблемами вынуждали заниматься возникшие парадоксы — фотометрический, гравитационный и термодинамический, которые были разрешены в модели расширяющейся Вселенной. Расширение Вселенной было установлено Э. Хабблом, сравнивая скорости разбегания, измеренные по красному смещению в спектрах галактик расстояния до них.

2. Эйнштейн при работе над общей теорией относительности не знал о красном смещении в спектрах и расширении Метагалактики, поэтому исходил из идеи о стационарной Вселенной. Уравнения, полученные Эйнштейном, были детально исследованы де Ситтером и Фридманом. Последний нашел три модели развития Вселенной, определяемые средней плотностью вещества в ней.

3. Леметр связал эти модели с данными астрономических наблюдений и пришел к проблеме "начала" из точки, а также первоначальных условий, в которой находилась Вселенная. Эти условия характеризуются наличием высокой температуры и давления в сингулярности, в которой была сосредоточена материя. Их называют Большим взрывом. Такое допущение вполне согласуется с установлением расширения Вселенной, которое могло начаться с некоторого момента, когда она находилась в очень горячем состоянии и постепенно охлаждалась по мере расширения.

4. Гамов разработал модель горячей Вселенной, которую назвал космологией Большого взрыва. Теория получила подтверждение после открытия фонового излучения, которое осталось со времени Большого взрыва и названо реликтовым. Так была повержена теория стационарной Вселенной, разрабатываемая Ф. Хойлом.

5. По мере расширения и охлаждения во Вселенной происходили процессы разрушения существовавших раньше симметрий и возникновения на этой основе новых структур.

6. Гут и Линде разработали разные варианты первых долей секунды после "начала", называемые моделями инфляционной, или раздувающейся, Вселенной.

7. Дальнейшее развитие Вселенной разделяют на четыре эры: адронную, лептонную, излучения и вещества. В адронную и лептонную эру, продолжавшуюся 10 с, температура Вселенной после взрыва упала до б млрд градусов и образовался основной химический состав вещества Вселенной, состоящий из 75% водорода и 25% гелия. На стадии излучения происходило непрерывное превращение вещества в излучение и, наоборот, излучения в вещество. Вследствие этого между веществом и излучением сохранялась симметрия.

Вопросы для контроля знаний

2. Какие этапы в своем развитии прошла эта космология? 3. Что собой представляет стандартная модель Вселенной? 4. Когда по стандартной модели произошел Большой взрыв?

Глава 13. ПРОИСХОЖДЕНИЕ И ЭВОЛЮЦИЯ НЕБЕСНЫХ ТЕЛ, ЗЕМЛИ

...Сущность Вселенной не имеет в себе силы, которая могла бы противостоять мужеству познания.

Г. Гегель

Происхождение и эволюция галактик и звезд

Впервые вопрос о фрагментации однородно распределенного вещества рассмотрел английский ученый Дж. Джинс в 1902 г. Он исходил из того, что если в… приравнять газовое давление в сгустке , давлению силы тяжести

Происхождение планет Солнечной системы

Сенека Для изучения вопросов происхождения небесных тел важным является определение… земной коры основано на исследовании содержания в ней радиоактивных элементов (урана, тория и др.), а также…

Происхождение и эволюция Земли

И. Гете Время существования Земли делится на два существенно различных периода: ранняя… I. Ранняя история Землиразделяется на три фазы эволюции: фазу рождения, фазу расплавления внешней сферы и фазу…

Космос и Земля

К. Э. Циолковский Человечество всегда интересовалось тем, какое место занимают человек и Земля в… Луну, Меркурий, Венеру, Марс, Юпитер и Сатурн. Воле этих же светил приписывались и изменения в судьбах конкретных…

ВЫВОДЫ

1. На определенной стадии эры вещества произошла фрагментация однородно распределенного вещества Вселенной. Согласно критерию Джинса, сгущения, возникшие в однородной среде, либо уплотняются под действием сил тяготения, либо рассасываются под действием газового давления. Критический размер сгущения и его масса по критерию Джинса зависят от соотношения температуры и плотности.

2. Структура галактики определяется начальными условиями ее образования. Другими словами, галактики рождаются либо как спиральные, либо как эллиптические, и в процессе эволюции тип галактики сохраняется. В настоящее время имеются уже довольно хорошо разработанные модели превращения огромного облака газа, сжимающегося в результате действия закона всемирного тяготения сперва в протогалактику, а потом в галактику.

3. Наша Галактика — гигантская звездная система, состоящая из двухсот миллиардов звезд и представляющая собой диск с утолщением в центре — гало. Считается, что она образовалась примерно 13 млрд лет назад. Среди звезд, или населения, есть звезды более молодые и более старые, причем молодые звезды сконцентрированы в достаточно тонком диске, а старое население Галактики почти равномерно занимает сферический объем с увеличивающейся концентрацией к центру.

4. Согласно концепции эволюции звезд, из газопылевых комплексов, наблюдаемых в виде туманностей, под действием тяготения образуются фрагменты, по форме напоминающие шар.

Этот шар постепенно вращается, уплотняется, разогревается изнутри — образуется протозвезда. При достижении температур 8 млн К начнутся термоядерные реакции, прекращающие дальнейшее сжатие, и протозвезда станет звездой.

5. Скорость эволюции звезд зависит от их первоначальной массы. Состояние горячего белого карлика — вероятное будущее звезды с массой, примерно равной солнечной — до 1,2 М_с. Устойчивое состояние таких звезд длится примерно 9-10 млрд лет. После выгорания водорода в центре такой звезды образуется ядро из гелия, в оболочку которого перенесутся термоядерные реакции. Внешние оболочки начнут расширяться, и звезда превратится в красного гиганта. Его оболочка постепенно теряется в пространстве, а горячее ядро, сжимаясь, станет белым карликом. Большие звезды — бело-голубые гиганты и сверхгиганты — могут эволюционировать до 1 млрд лет. В их недрах температуры много больше солнечных, и там идут термоядерные реакции с образованием новых химических элементов. Звезды массами меньше двух солнечных могут потерять устойчивость на последних этапах эволюции и взорваться как сверхновые, обогатив пространство тяжелыми химическими элементами, а затем сжаться до состояния нейтронной звезды. Нейтронные звезды и черные дыры — возможное будущее достаточно массивных звезд массами, превышающими солнечную более чем вдвое.

6. Современная наука предлагает картину рождения и развития Солнечной системы из холодного газопылевого комплекса — протопланетного облака около 5 млрд лет назад. Исследования распространенности химических элементов на планетах показывают, что все планеты имеют единое происхождение и единый возраст.

7. В формировании Земли существенную роль играли тепло недр и процессы радиоактивного распада. Формирование земной коры происходило в течение длительного периода, который, по данным палеонтологии, разделен на эры, периоды, эпохи, века. Большую роль в эволюции Земли сыграло наличие гидросферы и появление органической жизни на ней.

Вопросы для контроля знаний

2. В чем заключается критерий Джинса в образовании галактик? 3. Чем подтверждается верность термоядерного источника солнечной энергии? 4. Объясните, почему судьба звезды оказалась в сильной зависимости от ее массы.

Глава 14. КОНЦЕПЦИИ ПРОИСХОЖДЕНИЯ ЖИЗНИ

Гармоничное взаимодействие всего сущего не предопределено предписанием некоего отчужденного от него высшего начала, но проистекает из того, что все живые существа являются частями иерархии родственных единств, составляющих космическую систему, и повинуются они лишь внутренним велениям собственной природы.

Чжуан-цзы (III в. до н. э.)

Концепции происхождения жизни но Земле

Отличие живого от неживогозаключается в нескольких фундаментальных направлениях: вещественном, структурном и функциональном планах его изучения. В… макромолекулярные органические соединения, называемые биополимерами, — белки,… Живые тела отличаются от неживых также наличием обмена веществ, способностью к росту и развитию, активной регуляцией…

Классификация уровней биологических структур и организация живых систем

Клетка — естественная крупинка жизни, как атом — естественная крупинка неорганизованной материи.

Тейяр де Шарден

Рассмотрение явлений живой природы по уровням биологических структур дает возможность изучения возникновения и эволюции живых систем на Земле от простейших и менее организованных систем к более сложным и высокоорганизованным. Первые классификации растений, наиболее известной из которой была система Карла Линнея, а также классификация животных Жоржа Бюффона носили в значительной мере искусственный характер, поскольку не учитывали происхождения и развития живых организмов. Тем не менее они способствовали объединению всего известного биологического знания, его анализу и исследованию причин и факторов происхождения и эволюции живых систем. Без такого исследования невозможно было бы, во-первых, перейти на новый уровень познания, когда объектами изучения биологов стали живые структуры сначала на клеточном, а затем на молекулярном уровне. Во-вторых, обобщение и систематизация знаний об отдельных видах и родах растений и животных требовали перехода от искусственных классификаций к естественным, где основой должен стать принцип генезиса, происхождения новых видов, а следовательно, разработана теория эволюции. В-третьих, именно описательная, эмпирическая биология послужила тем фундаментом, на основе которого сформировался целостный взгляд на многообразный, но в то же время единый мир живых систем.

Уровни организации живого — объекты изучения биологии, экологии и физической географии — показаны на рис. 14.2.

Представление о структурных уровнях организации живых систем сформировалось под влиянием открытия клеточной теории строения живых тел. В середине прошлого века клетка

 

рассматривалась как элементарная единица живой материи наподобие атома неорганических тел. Проблема строения живого, изучаемого молекулярной биологией, совершила научную революцию с середины прошлого столетия. Во второй половине XX века были выяснены вещественный состав, структура клетки и процессы, происходящие в ней.

Каждая клетка содержит в середине плотное образование, названное ядром,которое плавает в "полужидкой" цитоплазме.Все вместе они заключены в клеточную мембрану.Клетка нужна для аппарата воспроизводства,который находится в ее ядре. Без клетки генетический аппарат не мог бы существовать. Основное вещество клетки — белки,молекулы которых обычно содержат несколько сот аминокислоти похожи на бусы или браслеты с брелочками, состоящими из главной и боковой цепей.

У всех живых видов имеются свои особые белки, определяемые генетическим аппаратом.

Попадающие в организм белки расщепляются на аминокислоты, которые затем используются им для построения собственных белков. Нуклеиновые кислотысоздают ферменты, управляющие реакциями. Хотя в состав белков человеческого организма входят 20 аминокислот, но совершенно обязательны для него только 9 из них. Остальные, по-видимому, вырабатываются самим организмом. Характерная особенность аминокислот, содержащихся не только в человеческом организме, но и в других живых системах (животных, растениях и даже вирусах), состоит в том, что все они являются левовращающими плоскость поляризации изомерами, хотя в принципе существуют аминокислоты и правого вращения.

Дальнейшие исследования были направлены на изучение механизмов воспроизводства и наследственности в надежде обнаружить в них то специфическое, что отличает живое от неживого. Наиболее важным открытием на этом пути было выделение из состава ядра клетки богатого фосфором вещества, обладающего свойствами кислоты и названного впоследствии нуклеиновой кислотой. Вдальнейшем удалось выявить углеводный компонент этих кислот, в одном из которых оказалась Д-дезоксирибоза, а в другом Р-рибоза. Соответственно этому первый тип кислот стали называть дезоксирибонуклеиновыми кислотами,или (сокращенно) ДНК,а второй тип — рибонуклеиновыми,или РНК.

Роль ДНК в хранении и передаче наследственности была выяснена после того, как в 1944 г. американским микробиологам удалось доказать, что выделенная из пневмококков свободная ДНК обладает свойством передавать генетическую информацию.В 1953 г. Джеймсом Уотсоном и Френсисом Криком была предложена и экспериментально подтверждена гипотеза о строении молекулы ДНК как материального носителя информации. В 1960-е гг. французскими учеными Франсуа Жакобом и Жаком Моно была решена одна из важнейших проблем генной активности, раскрывающая фундаментальную особенность

функционирования живой природы на молекулярном уровне. Они доказали, что по своей функциональной активности все гены разделяются на "регуляторные", кодирующие структуру регуляторного белка, и "структурные гены", кодирующие синтез ферментов.

Воспроизводство себе подобных и наследование признаков осуществляется с помощью наследственной информации, материальным носителем которой являются молекулы дезокси-рибонуклеиновой кислоты (ДНК). ДНК состоит из двух цепей, идущих в противоположных направлениях и закрученных одна вокруг другой наподобие электрических проводов. Напоминает винтовую лестницу. Участок молекулы ДНК, служащий матрицей для синтеза одного белка, называют геном. Гены расположены в хромосомах (части ядер клеток). Было доказано, что основная функция генов состоит в кодировании синтеза белков. Механизм передачи информации от ДНК к морфологическим структурам дал известный физик-теоретик Г. Гамов, указав, что для кодирования одной аминокислоты требуется сочетание из трех нуклеотидов ДНК.

Молекулярный уровень исследования позволил показать, что основным механизмом изменчивости и последующего отбора являются мутации, возникающие на молекулярно-генетическом уровне. Мутация—это частичное изменение структуры гена. Конечный эффект ее—изменение свойств белков, кодируемых му-тантными генами. Появившийся в результате мутации признак не исчезает, а накапливается. Мутации вызываются радиацией, химическими соединениями, изменением температуры, наконец, могут быть просто случайными. Действие естественного отбора проявляется на уровне живого, целостного организма.

Поскольку минимальной самостоятельной живой системой можно считать клетку, постольку изучение онтогенетического уровня следует начать именно с клетки. В настоящее время различают три типа онтогенетического уровня организации живых систем, которые представляют собой три линии развития живого мира: 1) прокариоты — клетки, лишенные ядер; 2) эукариоты, появившие позднее, — клетки, содержащие ядра; 3) архебакте-

рии — клетки которых сходны, с одной стороны, с прокариотами, с другой — эукариотами. По-видимому, все эти три линии развития исходят из единой первичной минимальной живой системы, которую можно назвать протоклеткой. Структурный подход к анализу первичных живых систем на онтогенетическом уровне нуждается в дополнительном освещении функциональных особенностей их жизнедеятельности и обмена веществ.

Онтогенетический уровень организации относится к отдельным живым организмам — одноклеточным и многоклеточным. Вразных организмах число клеток существенно отличается. В соответствии с числом клеток все живые организмы разделяют на пять царств: бактерии, водоросли, грибы, растения, животные.

Первые живые организмы имели одиночные клетки, затем эволюция жизни усложнила структуру и число клеток. Одноклеточные организмы, имеющие простое строение, называются монерами(греч. moneres — простой), или бактериями. Одноклеточные организмы с более сложной структурой относят к царству водорослей,или проститов.Среди водорослей есть и простейшие многоклеточные организмы. К многоклеточным относят растения, грибыи животных.Живые организмы классифицируют в связи с их эволюционным родством, поэтому считается, что многоклеточные имели своими предками проститы, а те произошли от монер. Но три многоклеточных царства произошли от разных проститов. Каждая группа многоклеточных организмов — растений, животных и грибов — имеет свой план строения, приспособленный к своему образу жизни, а у каждого вида в процессе эволюции сложилась определенная разновидность этого достаточно гибкого плана. Почти каждый вид состоит из различающихся по строению, но в то же время кровно родственных групп индивидов. Вид представляет собой не простое собрание индивидуумов, а сложную систему группировок, соподчиненных и тесно связанных друг с другом.

Известный немецкий биолог Э. Геккель открыл биогенетический закон, согласно которому онтогенезв краткой форме повторяет филогенез,т. е. отдельный организм в своем

индивидуальном развитии в сокращенной форме повторяет историю рода.

Популяционный уровень начинается с изучения взаимосвязи и взаимодействия между совокупностями особей одного вида, которые имеют единый генофонд и занимают единую территорию. Такие совокупности, или скорее системы живых организмов, составляют определенную популяцию. Очевидно, что популяционный уровень выходит за рамки отдельного организма, и поэтому его называют надорганизменным уровнем организации.

Популяцияпредставляет собой первый надорганизменный уровень организации живых существ, который хотя и тесно связан с их онтогенетическим и молекулярными уровнями, но качественно отличается от них по характеру взаимодействия составляющих элементов, ибо в этом взаимодействии они выступают как целостные общности организмов. По современным представлениям, именно популяции служат элементарными единицами эволюции.

Второй надорганизменный уровень организации живого составляет различные системы популяций, которые называют биоценозамиили сообществами.Они являются более обширными объединениями живых существ и в значительно большей мере зависят от небиологических, или абиотических, факторов развития.

Третий надорганизменный уровень организации содержит в качестве элементов разные биоценозы и в еще большей степени характеризуется зависимостью от многочисленных земных и абиотических условий своего существования (географических, климатических, гидрологических, атмосферных и т. п.). Для его обозначения применяется термин биогеоценоз,или экологическая система(экосистема).

Четвертый надорганизменный уровень организации возникает из объединения самых разнообразных биогеоценозов и теперь называется биосферой.

Для характеристики трофического(пищевого) взаимодействия популяции и биоценозов существенное значение имеет

общее правило, согласно которому, чем длиннее и сложнее пищевые связи между организмами и популяциями, тем более жизнеспособной и устойчивой является живая система любого (надорганизменного) уровня. Отсюда становится ясным, что с биологической точки зрения на таком уровне решающее значение приобретает трофический характер взаимодействия между составляющими живую систему элементами.

Генная инженерия и биотехнология

Козьма Прутков Результаты исследования молекулярной генетики и молекулярной биологии являются… Генетическая инженерия— эта система экспериментальных приемов, позволяющих конструировать искусственные генетические…

Проблемы происхождения жизни во Вселенной

Г. Державин Представление о наличии жизни во Вселенной исторически менялось и всегда… от Луны и планет до комет и Солнца. Об обитателях Луны, например, писали Кеплер, Ньютон, а позднее, уже на пороге XIX…

ВЫВОДЫ

1. Среди известных гипотез происхождения жизни наиболее распространены: креационизм, самопроизвольное возникновение, вечное существование, панспермия, биохимический путь.

2. Для научного изучения происхождения жизни необходимы прежде всего данные о физико-химических условиях на ранней Земле. Такие данные связаны как с геологической эволюцией планеты, так и с эволюцией химических элементов Солнечной системы и солнечной активностью.

 

3. Из большого числа химических элементов для жизни необходимы только 16, а водород, углерод, кислород и азот составляют почти 99% живой материи. Уникальными свойствами обладает углерод, и наша жизнь называется углеродной, или органической. Четырехвалентность углерода приводит к огромному числу его соединений, которыми занимается органическая химия. Углерод образует сложные молекулы, представляющие собой кольца и цепи, обеспечивающие разнообразие органических соединений.

4. Аминокислоты — важный для жизни класс органических соединений. В живых организмах они используются для синтеза белков: растения могут синтезировать их из простых веществ, а в животные организмы они должны поступать с пищей, поэтому их называют незаменимыми. Из четырех нуклеотидов построены и другие крупные молекулы — нуклеиновые кислоты, тоже входящие в состав живой клетки. Нуклеиновые кислоты представляют собой двухцепочечные молекулы.

5. Современные научные гипотезы происхождения жизни связаны с образованием в определенных условиях более слож-

неорганизованных молекул-коагулянтов, гелей коацерватов. У этих коллоидных образований, как считали Опарин и Холдейн, на поверхности могут происходить процессы, напоминающие метаболизм живых организмов. Коацерваты способны делиться на части, увеличиваться в размерах, поглощать более простые молекулы. Гипотеза Опарина—Холдейна проверялась на установке Меллера, где искровой разряд пропускался через смесь метана, аммиака, водорода и воды, что имитировало условия первичной Земли. Были синтезированы простейшие аминокислоты. Живые тела, существующие на Земле, представляют собой открытые, саморегулирующиеся и самопроизводящие системы, построенные из биополимеров — белков и нуклеиновых кислот.

Вопросы для контроля знаний

2. Какими признаками отличается живое от неживого? Какие аналогии между живой и неживой материей можно провести? 3. Охарактеризуйте гипотезу Опарина-Холдейна. 4. В чем состояли главные предположения Л. Пастера относительно возникновения жизни?

Глава 15. ЭВОЛЮЦИЯ ЖИВОЙ ПРИРОДЫ

Во все века жила, затаена, Надежда — вскрыть все таинства природы.

В. Брюсов

Доказательства эволюции живого

геологического периода появились многие виды беспозвоночных и макроскопические водоросли. Для того чтобы произошел этот эволюционный скачок,… Всех многоклеточных разделяют на три царства: грибы (Fungi), растения… В протерозойскую эру (около 1 млрд лет назад) эволюционный ствол древнейших эукариот разделился на несколько ветвей,…

Пути и причины эволюции живого

О. Хайям Вопрос о путях и причинах разнообразия форм живой природы в различной… Карл Линней описал более 8 тысяч растений, ввел терминологию и строго иерархический порядок описания видов. Хотя его…

Эволюционная теория Дарвина

Гейне Начало формирования теории эволюции, совершающейся посредством естественного… размножаться и оставлять потомство. Дарвиновская революция была справедливо названа величайшей из всех научных…

Современная теория органической эволюции

А там пристрастъя связывают ум. Данте Современная теория органической эволюции отличается от

Синтетическая теория эволюции

Омар Хайям Генетика привела к новым представлениям об эволюции, получившим название… Синтетическая теория эволюции представляет собой синтез основных эволюционных идей Дарвина и прежде всего идеи…

Другие концепции эволюции живого

Что из твоих трудов под солнцем выйдет. Поскольку из живущих никому

ВЫВОДЫ

1. Под эволюцией, т. е. развитием, понимается процесс длительных, постепенных, медленных изменений, которые в конечном итоге приводят к изменениям коренным, качественным, завершающимся возникновением новых материальных систем, структур, форм и видов.

Таблица 15.2 Научная хронология основных этапов эволюции мира

 

Основные этапы	Время этапа
Возникновение нашей Вселенной согласно теории Большого взрыва и расширяющейся Вселенной	15-20 млрд л. н.
Образование нашей Галактики	13 млрд л. н.
Образование Солнечной системы	5 млрд л. н.
Ранняя история Земли	4,6—3,8 млрд л. н.
Геологические истории Земли, возникновение фотосинтеза, кислородной атмосферы и появление прока-риотных организмов (т. е. состоящих из безъядерных клеток)	3,8-3,5 млрд л. н.
Появление эукариотных (ядерно-клеточных) организмов	3,5-2 млрд л. н.
Появление первых многоклеточных организмов, дифференциация растительного и животного мира	1 млрд л. н.
Выход жизни из моря на сушу	440 млн л. н.
Начало эволюции млекопитающих	65 млн л. н.
Появление обезьян	35 млн л. н.
Становление человека умелого (австралопитек)	5,5-2,0 млн л. н.
Появление человека разумного (кроманьонец)	40-15 тыс. л. н.

2. Изменчивость является неотъемлемым свойством живого. С одной стороны, все виды организмов имеют тенденцию к размножению в геометрической прогрессии, а с другой — выживает и достигает зрелости лишь небольшая часть потомства. Естественный отбор постоянно распространяет по всему свету мельчайшие изменения, отбрасывая неприспособленные, сохраняя устойчивые, работая неслышно и невидимо, где бы и когда бы ни представился тому случай, над усовершенствованием каждого живого существа в связи с условиями его жизни, органическими и неорганическими.

3. Новые виды могут возникать только в пределах одной популяции, поскольку вид — это группа скрещивающихся между собой организмов, которые не могут скрещиваться с представителями других таких групп. Изменение генных частот в каждой популяции составляет молекулярную основу эволюции, происходящей на основе естественного отбора.

4. Естественный отбор не является единственным фактором эволюции, хотя он очень важен. Основную массу эволюционного материала составляют различные формы мутаций, т. е. изменение наследственных свойств организмов, возникающих естественным путем или вызванных искусственными средствами. Мутации вносят новые гены в генофонд данной популяции, но сами мутации достаточно редки. Мутации как бы поставляют сырье, на которое действует естественный отбор.

5. Одним из основных факторов эволюции являются популя-ционные волны, которые часто называют "волнами жизни". Они определяют количественные флуктуации, или отклонения, от среднего значения численности организмов в популяции, а также области ее расположения (ареала). Другим основным фактором эволюции признается обособленность группы организмов, чтобы под влиянием локальных условий и давлений отбора эволюционировать своим путем.

6. Микроэволюция — совокупность эволюционных изменений, происходящих в генофондах популяций за сравнительно небольшой период времени и приводящих к образованию новых видов. В отличие от этого макроэволюция связана с эволюционными преобразованиями за длительный исторический период времени, которые приводят к возникновению надвидовых форм организации живого.

7. Целесообразность есть неизбежный результат естественного отбора, в ходе которого устраняются организмы, не приспособленные к условиям своего существования, и получают право на жизнь и потомство организмы, обладающие определенными преимуществами перед ними.

Вопросы для контроля знаний

2. Какую роль играют молекулы ДНК в передаче наследственности и как был расшифрован генетический код? 3. Какие основные способы питания существуют в живой природе? 4. Какой уровень организации называется популяционным и чем он отличается от онтогенетического?

Глава 16. КОНЦЕПЦИЯ ПРОИСХОЖДЕНИЯ И ЭВОЛЮЦИИ ЧЕЛОВЕКА

Прекрасным создал этот мир

Господь.

Дал разум людям, но понятья

не дал,

Чтоб человек, свою земную плоть

Преодолев, Его дела изведал.

Из Екклесиаста

Человек как предмет естественно-научного познания

Человек как предмет естественно-научного познания может рассматриваться в трех аспектах: 1) происхождение; 2) соотношение в нем естественного и… фики человека методами естественно-научного познания. Первое направление,… Рассмотрим первое направление. Как и в вопросе происхождения Вселенной и жизни, существует представление о…

Сходства и отличия человека от животных

Б. Паскаль Для рассмотрения проблемы антропогенеза необходимо уточнить, каково место… Сходствочеловека с животными определяется, во-первых,вещественным составом, строением и поведением организмов. Человек…

Концепции появления человека на Земле. Антропология

и не крути Не удастся конца и начала найти. Наша роль в этом мире — прийти

Эволюция культуры человека. Социобиология

Демокрит Одновременно с эволюцией человека как биологического вида происходила эволюция… Каменный век— эпоха применения каменных орудий, делится на палеолит (древнекаменный век), мезолит (среднека-менный…

Проблемы поиска внеземных цивилизаций

ясно: Своею тягощусь природою всечасно.

Проблема связи с внеземными цивилизациями

Б. Шоу Наша цивилизация, как способная войти в контакт с другими, имеет малый… раст старейших объектов Вселенной может быть около 20 млрд лет, становится очевидным, что возраст других цивилизаций…

ВЫВОДЫ

1. Человек как предмет естественно-научного познания может рассматриваться в трех аспектах: 1) происхождение; 2) соотношение в нем естественного и гуманитарного; 3) изучение специфики человека методами естественно-научного познания. Антропогенез — один из разделов антропологии (науки о человеке), изучающий происхождение и эволюцию человека, становление его как вида в процессе формирования общества.

2. В науке господствует вытекающая из теории эволюции Дарвина, концепция происхождения человека от высокоразвитых предков современных обезьян. Она получила в XX в. генетическое подтверждение, поскольку из всех животных по генетическому аппарату ближе всего к человеку оказались шимпанзе.

3. Сходство человека и животного определяется вещественным составом, строением и поведением, одинаковостью эволюции человеческого зародыша и животного, а также наличием у человека рудиментарных органов. Главные отличия человека от животных: понятийное мышление, речь, труд — стали теми путями, по которым шло обособление человека от природы.

4. Происхождение человека — уникальное явление, при котором осуществляется переход от биологических к социальным процессам. Под критериями человека понимается некое фундаментальное свойство, в котором отразилась бы специфичность человеческого общества. В качестве таких критериев обычно рассматриваются: а) наличие труда как сугубо человеческой деятельности; б) сочетание прямохождения, свободной руки и сложного мозга.

5. Морфологическое развитие человеческого мозга и становление первичной социальной организации завершилось

30-40 тыс. лет назад. Переломный момент в эволюции языка скорее всего произошло более 1 млн лет назад в экваториальной Африке.

6. Линия эволюции человека выстраивается следующим образом: "Человек умелый" (австралопитек) — "Человек прямоходящий" (питекантроп и синантроп) — "Человек неандертальский" — "Человек разумный" (кроманьонец). После кроманьонца человек не изменялся генетически, тогда как его социальная эволюция продолжалась.

Вопросы для контроля знаний

2. Какие сходства и отличия человека и животных вы знаете? 3. Что способствовало появлению у человека речи и абстрактного мышления? 4. Что понимается под способностью человека к труду?

Глава 17. ЧЕЛОВЕК

Человек есть мера всем вещам: существованию — существующих и несуществованию — несуществующих.

Протагор (V в. до н. э.)

Физиология человека

Физиологи Д. Эклс, Э. Хаксли, А. Ходжкин установили ионные механизмы важнейших физиологических процессов — возбуждения и торможения, за что были… Разработка И. П. Павловым учения об условных рефлексах позволила ему не только… Организм и окружающая среда — это единая система, так как между ними происходит непрерывный обмен веществом и энергией…

Эмоции и творчество

К. Д. Ушинский Деятельность человека по удовлетворению его разнообразных потребностей… человека в виде эмоциональных переживаний. Эмоции— особый класс субъективных психологических состояний человека,…

Здоровье и работоспособность

ударами судьбы Иль надо оказать сопротивленъе И в смертной схватке с целым

Вопросы биомедицинской этики

надобно немало, Два важных правила запомни для начала: Ты лучше голодай, чем что попало есть

ВЫВОДЫ

1. Физиология человека изучает жизнедеятельность здорового человека, функции составных частей его организма: клеток, тканей, органов, систем. Она основана на изучении деятельности кровеносной, лимфатической, дыхательной, пищеварительной, выделительной, нервной систем, обмена веществ и энергии, желез внутренней секреции и др.

2. Здоровье — это состояние полного физического, умственного и социального благосостояния человека. Оно во многом связано с эволюционно-экологическими основами его психофизической деятельности. Здоровье и болезнь — это два качественно различных феномена, которые могут сосуществовать

в индивидууме. Свежий воздух, солнечный свет, умеренность, отдых, физические упражнения, вода и правильное питание — необходимые факторы здоровья и долголетия.

3. Работоспособность определяет возможности организма при выполнении работы и поддержании структуры и энергозапасов на заданном уровне. С точки зрения работоспособности здоровье — это количество резервов в организме, максимальная производительность органов при сохранении качественных пределов их функций.

4. Эмоции — особый класс субъективных психологических состояний, отражающих в форме непосредственных переживаний результаты практической деятельности, направленной на удовлетворение актуальных потребностей. Они возникают лишь тогда, когда осуществление инстинктивных действий, привычных и произвольных форм поведения наталкивается на препятствие, к которым он не может адаптироваться.

5. Творчество — это процесс создания человеком нового, при котором он, хоть и испытывает недостаточность информации, знаний, умений для достижения цели и решения той или иной проблемы, делает рывок в неизведанное, создает новые знания, умения, новые объекты и произведения.

Вопросы для контроля знаний

2. Каковы функции системы органов пищеварения? 3. Что такое метаболизм, анаболизм и катаболизм? 4. Какова основная функция почек?

Глава 18. УЧЕНИЕ О БИОСФЕРЕ И ЭКОЛОГИИ

Во всем подслушать

жизнь стремясь,

Спешат явленья обездушить,

Забыв, что если в них нарушить

Одушевляющую связь,

То больше нечего и слушать.

Гёте

Биосфера

Современная наука считает, что примерно 1 млрд лет назад произошло разделение живых существ на царства растений и животных. Различия между ними… в соответствии с их отличительными признаками. Основной структурной единицей… На Земле существует 500 тыс. видов растений и 1,5 млн видов животных, в том числе позвоночных — 70 тыс., птиц 16 тыс.,…

Экология

А. Пушкин Термин "экология" (от греческого oikos — жилище) предложен в 1866 г.… Экология изучает взаимодействие организмов с окружающей средой, создавая целостную картину на основе всей доступной…

Современные проблемы экологии

А. Е. Ферсман Загрязнение природной среды различными отходами производства выше предельно… Кислотные дожди— это атмосферные осадки, рН которых ниже, чем 5,5. Закисление осадков происходит вследствие попадания…

Ноосфера

Пифагор В 20-е годы XX в. в Париже на семинаре А. Бергсона русский ученый Владимир… П. Тейяра де Шардена, французского палеонтолога и философа, рассматривавшего феномен человечества с точки зрения…

Демографическая проблема

Из Екклесиаста Воздействие общества на окружающую среду прямо пропорционально численности… человеческого сознания. Остановимся на одной компоненте — численности населения. Проблемы народонаселения изучаются…

ВЫВОДЫ

1. Под биосферой Вернадский понимал тонкую оболочку Земли, в которой все процессы протекают под прямым воздействием живых организмов. Биосфера располагается на стыке литосферы, гидросферы и атмосферы, находясь в диапазоне от 11 км в глубь Земли до 33 км над Землей.

2. Кроме растений и животных Вернадский включает сюда и человечество, влияние которого на геохимические процессы отличается от воздействия остальных живых существ, во-первых, своей интенсивностью, увеличивающейся с ходом геологического

времени; во-вторых, тем воздействием, какое деятельность людей оказывает на остальное живое вещество.

3. Экология изучает взаимодействие организмов с окружающей средой, создавая целостную картину на основе всей доступной информации. При этом термодинамический подход играет одну из ведущих ролей. Экология изучает организацию и функционирование надорганизменных систем различных уровней: популяций, сообществ, экосистем. Если учение о биосфере сразу подняло биологию с уровня отдельных видов к целостности высшего порядка, то экология изучает различные уровни целостности, промежуточные между организменным и глобальным.

4. К важным выводам экологии относятся следующие:

 

- каждый организм может существовать только при условии постоянной тесной связи со средой, т. е. с другими организмами и неживой природой;

- жизнь со всеми ее проявлениями произвела глубокие изменения на нашей планете. Совершенствуясь в процессе эволюции, живые организмы все шире распространялись на планете, стимулируя перераспределение энергии и вещества;

- размеры популяций возрастают до тех пор, пока среда может выдерживать их дальнейшее увеличение, после чего достигается равновесие. Численность их колеблется вблизи равновесного уровня;

- принцип равновесия играет в живой природе огромную роль. Естественное равновесие существует между организмом и окружающей его неживой средой. Великое множество равновесий поддерживает общее равновесие в природе.

5. Ноосфера есть новое геологическое явление на нашей
планете. В ней впервые человек становится крупнейшей гео
логической силой. Он может и должен перестраивать своим
трудом и мыслью область своей жизни. В задачу человека эпо
хи ноосферы входит правильное, рациональное использование
ресурсов Земли, не нарушая его экологического равновесия во
всех направлениях.

Вопросы для контроля знаний

2. На каких принципах основывается учение Вернадского о биосфере? 3. Как осуществляется переход от биосферы к ноосфере? 4. Что изучает экология?

Глава 19. МЕТОДЫ СОВРЕМЕННОГО ЕСТЕСТВОЗНАНИЯ

Невозмутимый строй во всем, созвучье полное в природе.

Ф. И. Тютчев

Системный метод исследования

Учение о системах возникло в середине XIX в., но приобрело особенно важное значение в XX в. Его иначе называют еще системным подходом к изучаемым… Система— это такая совокупность элементов, или частей, в которой существует их… Под системой понимают совокупность компонентов и устойчивых, повторяющихся связей между ними. Процесс системного…

Кибернетика - наука о сложных системах

Самым значительным шагом в формировании идеи системного метода было появление кибернетики как общей теории управления в технических системах, живых… горитмов, посредством которых осуществляется достижение поставленной цели. Наука, которая занимается исследованиями процессов управления сложными системами с обратной связью, получила название…

Методы математического моделирования

Г. Галилей Выявление общего, существенного, присущего всем системам определенного рода… математическим моделированием. При математическом моделировании систем наиболее ярко проявляется эффективность…

Математическое моделирование в экологии

Ж. Ж. Руссо Для исследования биологических систем, таких как биоценозы, биогеоценозы,… Например, один из вопросов, который очень часто возникает в современной экологии, состоит в следующем: как определить…

ВЫВОДЫ

1. Под системой понимают совокупность компонентов и устойчивых, повторяющихся связей между ними. Разделение систем на простые и сложные является фундаментальным в естествознании. Среди всех сложных систем наибольший интерес представляют системы с так называемой обратной связью.

2. Наличие механизма обратной связи позволяет сделать заключение о том, что система преследует какие-то цели, т. е. что ее поведение целесообразно. Наука, которая первой начала

исследование подобных систем, получила название кибернетики. Кибернетика — это наука об управлении сложными системами с отрицательной обратной связью.

3. Системный подход в науке XX в. — междисциплинарное направление исследований, заключающееся в рассмотрении объекта с точки зрения взаимодействия части и целого. Для системного подхода характерно именно целостное рассмотрение, установление взаимодействия составных частей или элементов совокупности, несводимость свойств целого к свойствам частей.

4. Системный подход в корне подрывает прежнее представление о естественно-научной картине мира, когда природа рассматривалась как простая совокупность различных процессов и явлений, а не тесно взаимосвязанных и взаимодействующих систем, различных как по уровню своей организации, так и по сложности. Процесс познания природных и социальных систем может быть успешным только тогда, когда в них части и целое будут изучаться не в противопоставлении, а взаимодействии друг с другом, анализ будет сопровождаться синтезом.

5. Выделение биоценозов позволяет использовать методы математического моделирования в экологии. При таком моделировании чаще всего встречаются ситуации: "конкуренция—сосуществование"; "симбиоз"; "хищника—жертва".

6. Математическое моделирование различных систем используется в современном естествознании как междисциплинарная методика исследования.

Вопросы для контроля знаний

2. Как понимать обратные связи в системах? 3. В чем состоит целесообразность системы? 4. Какое значение имеет кибернетика?

Глава 20. САМООРГАНИЗАЦИЯ В ПРИРОДЕ

Человек, ставший сторонником новой парадигмы на раннем этапе развития, должен ... верить в успех этой парадигмы.

Томас Кун

Парадигма самоорганизации

Под самоорганизацией мы понимаем необратимый процесс, приводящий в результате кооперативного действия подсистем к образованию более сложных структур… ограниченной последовательности процессов самоорганизации. Термин… Решающее значение для создания теории самоорганизации имели развитие и разработка методологии следующих дисциплин:

Синергетика

Пифагор К установлению общего взгляда на процессы самоорганизации разные ученые шли… Самоорганизация, по определению Хакена, — спонтанное образование высокоупорядоченных структур из зародышей или даже…

Особенности эволюции неравновесных систем

А. П. Чехов Законы термодинамики, являющиеся обобщением большого количества… все более неустойчивым, и даже малые изменения какого-либо параметра могут перевести систему в новое состояние.…

Самоорганизация - источник и основа эволюции

Р. Гамзатов Современное эволюционное мышление сложилось в XVIII и XIX вв. и неразрывно… теорией происхождения видов. Дарвин сформулировал принцип отбора и продемонстрировал его значение для эволюции в…

Самоорганизация в различных видах эволюции

Гете Теория самоорганизации, возникшая на основе исследования простейших… систем живой природы до сложных форм эволюции в биологических, социально-экономических и культурно-исторических…

ВЫВОДЫ

1. При определенных неравновесных условиях в открытой системе за счет внутренних перестроек могут возникнуть упорядоченные структуры. Эту особенность системы назвали самоорганизацией, а сами структуры, возникающие в диссипативных системах при неравновесных необратимых процессах, Пригожин назвал диссипативными. Под влиянием действия крупномасштабных флуктуаций возникают коллективные формы движения, между которыми начинается конкуренция, происходит отбор устойчивых, возникают новые структуры.

2. Устойчивые состояния не теряют устойчивости при флук-туациях параметров — влияние флуктуаций погашается за счет внутренних процессов. Неустойчивые системы, наоборот, начинают усиливать флуктуации.

3. Г. Хакен выделил в спонтанном переходе к организации роль коллективных процессов, коллективного действия многих подсистем. Отсюда и название складывающейся концепции — синергетика. Синергетика изучает механизмы взаимодействия в сложных отрытых системах с положительной обратной связью.

Это взаимодействие ведет к согласованному, кооперативному поведению подсистем и сопровождается образованием новых устойчивых структур и самоорганизацией системы.

4. Самоорганизация выступает как источник эволюции систем, так как она служит началом процесса возникновения качественно новых и более сложных структур в развитии системы. Образование упорядоченных структур происходит в открытых системах при достижении определенного порогового значения в далеком от равновесия состоянии. На микроуровне при самоорганизации происходит процесс расширения или увеличения флуктуаций вследствие увеличения неравновесности системы под воздействием среды. Переход скачком в новое состояние с потерей линейности законов называют бифуркацией. Этот процесс остается незаметным на макроуровне, пока изменения не достигнут некоторой критической точки, после которой спонтанно возникает новый порядок или структура.

Вопросы для контроля знаний

2. Какие исследования называют междисциплинарными? Приведите примеры. 3. Кем и в какой науке впервые была высказана идея самоорганизации? 4. В чем состояло противоречие между эволюционной теорией Дарвина и классической термодинамикой?

Глава 21. СОВРЕМЕННОЕ ЕСТЕСТВОЗНАНИЕ И БУДУЩЕЕ НАУКИ

Для нас наука естествознание — тот рычаг Архимеда, который единственно способен повернуть лицом к Солнцу разума.

М.Горький

Особенности современного этапа развития науки

преобразуется природа, а человек защищается от отрицательных воздействий внешней среды. Природные и социальные компоненты соединяются в технических… В доказательство материального единства мира включились все основные… Конечно, наибольший вклад в это вносит естествознание, которое в соответствии с характером своего предмета имеет…

Естествознание и мировоззрение

К. Э. Циолковский Основная цельсовременного естествознания — познание мира, формирование нашего… Миф (мифология) — это особый вид мировоззрения, где в ранней форме человеческой культуры объединялись зачатки знаний,…

Естествознание инаучно-техническая революция

Ф. Жолио-Кюри Научно-техническая революция означает скачок в развитие производительных сил… Когда говорят о научно-технической революции, в первую очередь подразумевают именно процесс интеграции науки и…

Общие закономерности современного естествознания

М. Склодовская-Кюри Основные наиболее общие закономерности современного естествознания позволяют… 1. Наука является одним из этапов эволюции человеческой культуры. Пройдя несколько предварительных стадий от…

Современная естественно-научная картина мира и Человек

Мало тайн, мной не познанных, в мире осталось. Только знаю одно: ничего я не знаю —

Особенности в развитии современной науки

К. Ясперс Основной структурой познания в наиболее развитых отраслях естествознания… Два обстоятельства затрудняют понимание обществом современного естествознания. Во-первых, применение сложнейшего…

ВЫВОДЫ

1. Наука является одним из этапов эволюции человеческой культуры. Ныне научно-техническая революция является главным фактором развития человечества.

2. В настоящее время общепринято деление наук на естественные, гуманитарные, математические и прикладные. Предмет естественных наук составляют отдельные ступени развития природы или ее структурные уровни.

3. Существуют три механизма эволюции: диссипативные структуры в неживом мире, естественный отбор и борьба за существование в живой природе, развития культуры в человеческом обществе. Но наука не знает, как произойдет становление нового, поскольку это уникальный, неизведанный процесс.

4. Классическое естествознание уделяло внимание понятиям, характеризующим замкнутые системы и линейные соотношения. Современная наука, признавая правомерность изученных ранее моделей, перешла к исследованию открытых систем, которые обмениваются с окружением энергией, веществом, информацией. Такие системы, более распространенные в природе, характеризуются разнообразием, неустойчивостью, нелинейными соотношениями.

5. Наука ограничена с четырех сторон. К эмпирической, теоретической и предметной ограниченности прибавилось ограничение экологического характера. Развитие науки может привести к уничтожению биосферы и ее самой.

6. Появились новые общенаучные концепции и подходы: системный, структурный, вероятностный, синергетический и т. п.

7. Научные достижения XX в. позволяют структурно разделить естественно-научную картину мира на микромир, макромир и мегамир.

8. Внутренняя целостность естествознания и его связь с гуманитарными, техническими и экономическими науками должна быть прочной и гибкой. Социальные системы сегодня возможно описать сложившимися в естествознании языком и понятиями. Ценность науки должна определяться гибкостью ее функционирования как единой системы. Единство естествознания и стремление к нему открывают новые возможности познания мира и самого человека.

Вопросы для контроля знаний

2. В чем состоит научно-техническая революция? 3. Какова современная классификация естественных наук? 4. Какие три механизма эволюции окружающего мира вы знаете?

Литература

Основная

2. Гусейханов М. К., Раджабов О. Р. Концепции современного естествознания. — М.: ИТК «Дашков и К°», 2005. 3. Гусейханов М. К., Раджабов О. Р. Практикум по курсу "Концепции… 4. Дубнищева Т. Я. Концепции современного естествознания. — Новосибирск: ЮКЭЛ, 1997.

Дополнительная

2. Амбарцумян В. А. Загадки Вселенной. — М.: Педагогика, 1987. 3. Аминьева Т. П., Сарычева Л. Н. Фундаментальные взаимодействия и космические… 4. Аршинов В. И., Буданов В. Г., Суханов А. Д. Естественно-научное образование гуманитариев: на пути к единой культуре…

М. К. Гусейханов, О. Р. Раджабов Концепции современного естествознания

Санитарно-эпидемиологическое заключение № 77.99.02.953.Д.004609.07.04 от 13.07.2004 г. Лицензия № 06473 от 19 декабря 2001 г. Подписано в печать 26.02.2007. Формат 60x84 1/16.