рефераты конспекты курсовые дипломные лекции шпоры

Реферат Курсовая Конспект

КОНЦЕПЦИИ СОВРЕМЕННОГО ЕСТЕСТВОЗНАНИЯ УЧЕБНИК

КОНЦЕПЦИИ СОВРЕМЕННОГО ЕСТЕСТВОЗНАНИЯ УЧЕБНИК - раздел Образование,   ...

 


 

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ МОСКОВСКАЯ

ГОСУДАРСТВЕННАЯ ЮРИДИЧЕСКАЯ АКАДЕМИЯ

А.Ф. Лихин

КОНЦЕПЦИИ СОВРЕМЕННОГО ЕСТЕСТВОЗНАНИЯ УЧЕБНИК


 

УДК 50(075.8) ББК 20я73 Л65

Л65

Лихин А. Ф.

ISBN 5-482-00415-5 В учебнике рассмотрены основные концепции современного естествознания, учебный… Предназначен для студентов юридических вузов.

Лихин Александр Федорович

КОНЦЕПЦИИ СОВРЕМЕННОГО ЕСТЕСТВОЗНАНИЯ

Подписано в печать 01.09.05. Формат 60 х 90 1/16 Печать офсетная. Печ. л. 16,5. Тираж 3000 экз. Заказ № 13. 000 «ТК Велби» 107120, г. Москва, Хлебников пер., д. 7, стр. 2.

Электронное оглавление

Электронное оглавление ..............................................................................................5

ВВЕДЕНИЕ.....................................................................................................................8

Раздел 1. НАУКА КАК СФЕРА ЧЕЛОВЕЧЕСКОЙ ДЕЯТЕЛЬНОСТИ И ЕЕ ОСОБЕННОСТИ...........................................................................................................9

Глава 1.1. НАУКА И ЕЕ РОЛЬ В ОБЩЕСТВЕ ............................................................................. 9

1.1.1. Наука - это сфера человеческой деятельности, направленная на создание, производство объективных знаний о самом человеке и окружающем его мире (природа, Вселенная в целом) ................. 9

1.1.2. Главные черты научных знаний .............................................................................................................. 10

1.1.3. Роль науки в обществе.............................................................................................................................. 12

1.1.4. Дискуссия о роли науки в развитии культуры ....................................................................................... 13

ВЫВОДЫ.................................................................................................................................. 13

ВОПРОСЫ ДЛЯ САМОПРОВЕРКИ И СЕМИНАРОВ ....................................................... 13

Глава 1.2. КЛАССИФИКАЦИЯ НАУК ......................................................................................... 13

1.2.1. Критерии классификации наук ................................................................................................................ 13

1.2.2. Классификация наук по предмету исследования ................................................................................... 14

Рис. 1. Классификация наук ............................................................................................ 14

1.2.3. Теоретические и эмпирические науки .................................................................................................... 15

1.2.4. Фундаментальные и прикладные науки.................................................................................................. 16

ВЫВОДЫ.................................................................................................................................. 16

ВОПРОСЫ ДЛЯ САМОПРОВЕРКИ И СЕМИНАРОВ ....................................................... 17

Глава 1.3. ОСНОВНЫЕ ИСТОРИЧЕСКИЕ ЭТАПЫ РАЗВИТИЯ ЕСТЕСТВОЗНАНИЯ .. 17

1.3.1. Классическая, неклассическая и постнеклассическая наука ................................................................. 17

1.3.2. Понятие естественно-научной картины мира......................................................................................... 18

1.3.3. Античная наука ......................................................................................................................................... 18

1.3.4. Развитие науки в период Средневековья (V-XIV вв. н. э.) .................................................................... 21

1.3.5. Возрождение.............................................................................................................................................. 23

1.3.6. Новое время - эпоха создания естествознания (XVII -XVIII вв. н.э.) ................................................... 24

1.3.7. Развитие естествознания и науки в России............................................................................................. 26

ВЫВОДЫ.................................................................................................................................. 28

ВОПРОСЫ ДЛЯ САМОПРОВЕРКИ И СЕМИНАРОВ ....................................................... 28

Раздел 2. КОНЦЕПЦИИ КЛАССИЧЕСКОЙ НАУКИ ........................................29

Глава 2.1. МЕХАНИЧЕСКАЯ ФИЗИЧЕСКАЯ КАРТИНА МИРА ......................................... 29

2.1.1. Понятие детерминизма ............................................................................................................................. 29

2.1.2. Физика и классическая механика ............................................................................................................ 30

2.1.3. Механика Галилея..................................................................................................................................... 31

2.1.4. Физическая теория И. Ньютона ............................................................................................................... 32

2.1.5. Содержательные допущения и следствия механики Галилея - Ньютона............................................. 34

2.1.6. Механическая картина мира .................................................................................................................... 36

ВЫВОДЫ.................................................................................................................................. 36

ВОПРОСЫ ДЛЯ САМОПРОВЕРКИ И СЕМИНАРОВ ....................................................... 37

Глава 2.2. ЭЛЕКТРОМАГНИТНАЯ КАРТИНА МИРА ............................................................ 37

2.2.1. Классическая электродинамика ............................................................................................................... 37

2.2.2. Кратко об истории изучения магнетизма................................................................................................ 37

2.2.3. Исследование электрической силы ......................................................................................................... 39

2.2.4. Понятие физического поля....................................................................................................................... 41

2.2.5. Теория электромагнитных сил Д. Максвелла ......................................................................................... 42

2.2.6. Электромагнитная картина мира ............................................................................................................. 42

ВЫВОДЫ.................................................................................................................................. 43

ВОПРОСЫ ДЛЯ САМОПРОВЕРКИ И СЕМИНАРОВ ....................................................... 43

Глава 2.3. КЛАССИЧЕСКИЕ КОНЦЕПЦИИ ЭНЕРГИИ И ВРЕМЕНИ ................................ 44

2.3.1. Классическая термодинамика .................................................................................................................. 44

2.3.2. Энергия ...................................................................................................................................................... 45

2.3.3. Законы классической термодинамики..................................................................................................... 47

2.3.4. Энтропия.................................................................................................................................................... 49

2.3.5. Основные следствия термодинамики XIX в. .......................................................................................... 49

2.3.6. «Тепловая смерть» Вселенной ................................................................................................................. 50

ВЫВОДЫ.................................................................................................................................. 51

ВОПРОСЫ ДЛЯ САМОПРОВЕРКИ И СЕМИНАРОВ ....................................................... 51

Раздел 3. КОНЦЕПЦИИ НЕКЛАССИЧЕСКОЙ НАУКИ...................................52

Глава 3.1. ТЕОРИЯ ОТНОСИТЕЛЬНОСТИ ............................................................................... 52

3.1.1. Альберт Эйнштейн.................................................................................................................................... 52

3.1.2. Опыт Морли - Майкельсона..................................................................................................................... 53

3.1.3. Преобразования Лоренца ......................................................................................................................... 53

3.1.4. Специальная теория относительности (СТО) ......................................................................................... 55


 

3.1.5. Релятивистская механика ......................................................................................................................... 56

3.1.6. Математическая теория пространства..................................................................................................... 56

Рис. 2 ................................................................................................................................. 58

Рис. 3 ................................................................................................................................. 58

Рис, 4. Система координат Гаусса для искривленной поверхности ............................ 58

Рис. 5. Седловидная поверхность Лобачевского - Больяй............................................ 59

3.1.7. Геометрия Б. Римана................................................................................................................................. 60

Рис. 6. Пространство поколений гражданина S в геометрии Римана.......................... 60

3.1.8. ОТО основывается на двух принципах или постулатах ........................................................................ 61

3.1.9. Следствия ОТО ......................................................................................................................................... 62

ВЫВОДЫ.................................................................................................................................. 63

ВОПРОСЫ ДЛЯ САМОПРОВЕРКИ И СЕМИНАРОВ ....................................................... 63

Глава 3.2. СОВРЕМЕННОЕ ЕСТЕСТВОЗНАНИЕ О ФИЗИЧЕСКОЙ РЕАЛЬНОСТИ И СИЛАХ ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ В ПРИРОДЕ ............................................................................... 63

3.2.1. Сегодня известно пять сил физического взаимодействия ..................................................................... 64

3.2.2. Гипотеза М. Планка .................................................................................................................................. 68

3.2.3. Квантовая механика .................................................................................................................................. 71

3.2.4. Современная квантовая теория ................................................................................................................ 73

3.2.5. Открытие протона и нейтрона привело к созданию протонно-нейтронной модели атома ................ 74

3.2.6. Что объяснила протонно-нейтронная модель атома .............................................................................. 76

3.2.7. Модели объяснения сил физического взаимодействия в атоме ............................................................ 77

Таблица 1. Таблица единиц величин размеров ............................................................. 82

ВЫВОДЫ.................................................................................................................................. 82

ВОПРОСЫ ДЛЯ САМОПРОВЕРКИ И СЕМИНАРОВ ....................................................... 82

Глава 3.3. СОВРЕМЕННЫЕ КОНЦЕПЦИИ ПРОИСХОЖДЕНИЯ ВСЕЛЕННОЙ............. 82

3.3.1. Модели и концепции происхождения Вселенной .................................................................................. 83

3.3.2. Нерелятивистские модели эволюции Вселенной классической науки ................................................ 84

Рис. 7. Положение некоторых звезд на диаграмме «Спектр - светимость»1:

горизонталь — классы звезд, вертикаль — светимость звезд ..................................... 88

3.3.3. Релятивистские модели Вселенной ......................................................................................................... 89

3.3.4. Модель «Самосогласованной космологии» постнеклассической науки.............................................. 95

ВЫВОДЫ.................................................................................................................................. 97

ВОПРОСЫ ДЛЯ САМОПРОВЕРКИ И СЕМИНАРОВ ....................................................... 97

Раздел 4. ПРОБЛЕМЫ И КОНЦЕПЦИИ ПОСТНЕКЛАССИЧЕСКОЙ

НАУКИ ..........................................................................................................................98

Глава 4.1. СОВРЕМЕННАЯ АСТРОНОМИЯ ОБ ОБЪЕКТАХ ВСЕЛЕННОЙ .................... 98

4.1.1. Галактика Млечный Путь......................................................................................................................... 99

4.1.2. Звезды ...................................................................................................................................................... 102

4.1.3. Солнечная система.................................................................................................................................. 105

Таблица. Данные о планетах Солнечной системы ...................................................... 110

ВЫВОДЫ................................................................................................................................ 111

ВОПРОСЫ ДЛЯ САМОПРОВЕРКИ И СЕМИНАРОВ ..................................................... 111

Глава 4.2. БИОСФЕРА, КЛИМАТ И СТРОЕНИЕ ЗЕМЛИ .................................................... 111

4.2.1. Планета Земля -третья планета Солнечной системы ........................................................................... 111

4.2.2. Концепции и теории происхождения и эволюции Земли .................................................................... 116

4.2.3. Теория литосферных плит...................................................................................................................... 118

4.2.4. Гипотезы образования Земли ................................................................................................................. 119

4.2.5. Концепция происхождения Луны.......................................................................................................... 120

4.2.6. Климат Земли .......................................................................................................................................... 121

ВЫВОДЫ................................................................................................................................ 122

ВОПРОСЫ ДЛЯ САМОПРОВЕРКИ И СЕМИНАРОВ ..................................................... 122

Глава 4.3. ЖИВЫЕ СИСТЕМЫ И ИХ ОСОБЕННОСТИ ....................................................... 122

4.3.1. Наукой о живых системах является биология ...................................................................................... 122

4.3.2. Уровни организационной сложности живых систем ........................................................................... 123

4.3.3. Единство химического состава всего живого ....................................................................................... 124

4.3.4. Единство органического строения......................................................................................................... 125

Генетический код ............................................................................................................... 127

Рис. 8. Строение ДНК: ................................................................................................... 127

Транскрипция (лат. transcriptio — перенесение) ............................................................ 128

Рис. 9. Строение клетки по данным электронной микроскопии................................ 128

4.3.5. Клеточное строение ................................................................................................................................ 130

Клетка.................................................................................................................................. 131

Хромосомы ......................................................................................................................... 131

Рис. 10. Идеограмма хромосом мужчины и женщины ............................................... 132

Правила хромосом ..................................................................................................................... 132

4.3.6. Существенные свойства деления клеток организмов .......................................................................... 133

Мейоз .................................................................................................................................. 133

4.3.7. Генетика и геном человека..................................................................................................................... 134


 

4.3.8. Клонирование .......................................................................................................................................... 138

4.3.9. Определение жизни ................................................................................................................................ 140

ВЫВОДЫ................................................................................................................................ 141

ВОПРОСЫ ДЛЯ САМОПРОВЕРКИ И СЕМИНАРОВ ..................................................... 141

Глава 4.4. ОСНОВНЫЕ КОНЦЕПЦИИ ПРОИСХОЖДЕНИЯ ЖИЗНИ И ЧЕЛОВЕКА .. 141

4.4.1. Концепции происхождения жизни ........................................................................................................ 141

4.4.2. Концепции биологической эволюции ................................................................................................... 148

4.4.3. Антропогенез........................................................................................................................................... 150

ВЫВОДЫ................................................................................................................................ 154

ВОПРОСЫ ДЛЯ САМОПРОВЕРКИ И СЕМИНАРОВ ..................................................... 154

Глава 4.5. ЧЕЛОВЕК, ЕГО БУДУЩЕЕ В СВЕТЕ ДОСТИЖЕНИЙ СОВРЕМЕННОГО ЕСТЕСТВОЗНАНИЯ ...................................................................................................................... 154

4.5.1. О прогнозах развития естествознания................................................................................................... 154

4.5.2. Нанотехнология ...................................................................................................................................... 156

4.5.3. Исследование человеческого мозга ....................................................................................................... 156

4.5.4. Генетика ................................................................................................................................................... 158

4.5.5. Долголетие............................................................................................................................................... 159

4.5.6. Биоэтика................................................................................................................................................... 159

4.5.7. Энергетика ............................................................................................................................................... 160

4.5.8. Направления изучения происхождения жизни..................................................................................... 161

4.5.9. Правовые аспекты развития естествознания в XXI в........................................................................... 161

ВЫВОДЫ................................................................................................................................ 161

ВОПРОСЫ ДЛЯ САМОПРОВЕРКИ И СЕМИНАРОВ ..................................................... 162

ЛИТЕРАТУРА ...........................................................................................................163

СОДЕРЖАНИЕ .........................................................................................................164


 

 

ВВЕДЕНИЕ

Термин «наука»по своему логическому объему шире термина

«естествознание». Термин «естествознание» получил широкое распространение в языке общения исследователей природы в XVII в. Содержание терминов изменялось на основе осмысления исторического развития науки в целом. На некоторых исторических этапах развития науки под естествознанием понимались все знания, имеющие научное содержание.

Сегодня, когда говорят о естествознании, речь идет о системе научных знаний, которая создается целым комплексом естественных наук (физика, биология, астрономия и другие) о природе, эволюции Вселенной и о самом человеке как активном природном, биологическом существе.

Естествознание— важнейший раздел современной науки, развитие которого неразрывно связано в современных условиях с развитием других разделов науки, науками гуманитарными и техническими.

Введение в учебные программы гуманитарных вузов курса концепции современного естествознания отражает объективно возрастающую роль естествознания как в развитии материальных условий жизни людей, так и в создании целостной системы научных знаний о человеке, окружающем его мире и стратегии его развития в будущем.

Современное человечество оказывает губительное для своего существования воздействие на окружающую среду, природу. Это обстоятельство делает актуальными вопросы выработки стратегий развития человечества в XXI в. Среди этих вопросов большая роль отводится созданию правовых систем обеспечения развития человечества в будущем. Для решения этой задачи будущим юристам необходимо иметь глубокие, содержательные знания о достижениях и проблемах современного естествознания и его основных концепциях.

Термин «концепция»(лат. conceptiö) означает определенный способ понимания, анализа и описания объекта исследования. В концепциях современного естествознания представлены идеи, гипотезы, теории, модели, методы исследования целого комплекса актуальных для современного человека проблем: законы эволюции мира, методы изучения сложных развивающихся систем, роль науки в развитии цивилизации и культуры в будущем, а также ряд других проблем. Цель данного учебника — оказать информационную и методическую помощь студентам юридических вузов в изучении основных концепций современного естествознания.


 

 

Раздел 1. НАУКА КАК СФЕРА ЧЕЛОВЕЧЕСКОЙ

ДЕЯТЕЛЬНОСТИ И ЕЕ ОСОБЕННОСТИ

 

 

Глава 1.1. НАУКА И ЕЕ РОЛЬ В ОБЩЕСТВЕ

Основные понятия: наука, цели, задачи и функции науки в обществе, главные черты системы научных знаний, научного метода

 

Наука - это сфера человеческой деятельности, направленная на создание, производство объективных знаний о самом человеке и окружающем его мире (природа, Вселенная в целом)

Наука — сложное, многостороннее и динамическое явление. Наука создавалась

и развивалась не одним поколением людей, отличающихся яркой индивидуальностью и обстоятельствами их жизни (краткое изложение истории развития естествознания дано в главе 3 данного раздела). Исследователи, изучающие науку, рассматривают ее с различных сторон: как форму общественного сознания, особую деятельность человека, подсистему культуры, цивилизации, систему знаний, фактор общественного прогресса и т. д. Изучение науки с различных сторон позволяет понять специфику этого явления общественной жизни человека.

Если науку рассматривать как определенный вид деятельности, то следует указать следующие важные элементы этой деятельности: цель, задача, методы и результаты деятельности.

Великий философ, математик, логик, юрист, один из основателей естествознания и инициаторов создания академии в России Г. Лейбниц (1646—

1716) определил цель наукиследующим образом: «Цель науки — благоденствие человечеству, то есть преумножение всего, что полезно людям, но не ради того, чтобы затем предаваться безделью. А для поддержания добродетели и расширения знаний. Всякий талант обязан внести свою лепту»1.

Эта трактовка цели науки противопоставляется пониманию цели науки как чисто познавательной деятельности человека. Понимание цели науки как исключительно познавательной деятельности было характерно для науки до XVII

в.

1 Володин Б. ...И тогда возникла мысль. М.: Знание, 1980. С. 76—77.

Приоритет в понимании науки как теоретической и методической основы

практической деятельности людей и развития материального производства принадлежит английскому философу Ф.Бэкону (1561-1626).

В его работе «Новый органон» (1620) была разработана идея проекта новой науки, науки экспериментальной, связанной с материальным производством людей. Наука прошлого века на примере научно-технической революции (НТР) убедительно доказала правильность понимания цели науки, сформулированной философами и учеными XVII в. Однако это не означает, что достижения науки напрямую оказывают влияние на рост благосостояния людей в современном обществе (более 1 млрд человек в современном мире живет на 1 доллар в день) и что наука отказалась от своей чисто познавательной функции или «науки ради науки». Использование достижений науки и ее дальнейшее развитие зависят сегодня от политических и других факторов.

Развитие науки связано с поиском решений определенных задач. Например, ученые XVII в. ставили перед собой задачу открытия законов механического движения, знание которых способствовало развитию практической механики. Сегодня наука выполняет следующие функции в развитии общества:

— познавательная функция (расширение знания об окружающем мире,

обществе и человеке);

— практическая функция (развитие новых технологий в производительных силах общества);


 

— образовательная функция (создание новых технологий обучения);

— мировоззренческая функция (систематизация знаний об окружающем мире,

обществе и самом человеке).

Важным понятием для научной деятельности является понятие образца, идеала, к которому следует стремиться в познании окружающего мира (природы, Вселенной), общества и человека. Во все периоды развития науки ученые стремились к созданию истинного знания.

Истинное знание — это, грубо говоря, информация, которая адекватно отражает положение дел в самой исследуемой действительности, в мире, в котором живет человек.

Идеалом науки,по мнению большинства ученых, является истина. Другое дело, что понимать под истиной и каким образом ее

можно достичь. Здесь существуют разные точки зрения. Некоторые ученые полагают, что в конце концов наука откроет все законы, господствующие во Вселенной, и на этом она закончится. В качестве аргумента приводится знаменитая фраза А. Эйнштейна о том, что как бы ни была сложна природы, тем

не менее она открывает свои тайны ученому, вознаграждая его за неимоверные усилия и однообразный образ жизни.

Другие утверждают, что природа — неисчерпаемый источник познания и поэтому наука никогда не кончится. Эта точка зрения признает бесконечное количество законов, господствующих в мире. На самом деле, как говорят представители первой точки зрения, это не соответствует наблюдаемым фактам: природа поступает экономно, расчетливо, с завидной простотой.

Понятие истины в качестве научного идеала предъявляет жесткие требования к методуее достижения и к результатамнаучной деятельности. Еще в XVII в. французский философ, математик, физик Р.Декарт (1594—1650) выдвинул следующие требования к научному методу познания:

— ничего не принимать за истинное, что не является ясным и очевидным;

— трудные вопросы делить на столько составных частей, сколько нужно для разрешения;

— начинать с исследования простых, удобных для познания вещей и восходить постепенно к познанию трудных и сложных;

— останавливаться на всех подробностях, на все обращать внимание, чтобы быть уверенным, что ни чего не упущено.

Требования Р. Декарта к научному методу оказали большое влияние на понимание науки как активной созидательной творческой деятельности. В дальнейшем метод научного познания стал пониматься как совокупность интеллектуальныхи материально-вещественныхспособов достижения истинных знаний в процессе развития научной деятельности.

К интеллектуальным способам относятся методы создания теорий, гипотез и моделей исследуемых объектов, а также разработки технологий создания измерительных приборов, установок для проведения экспериментов и наблюдений. К материально-вещественным способам относятся сами приборы, установки для проведения экспериментов и наблюдений. Такое понимание науч-

ного метода отражается в современной трактовке главных черт научных знаний в качестве результата научного познания.

 

Главные черты научных знаний

А. Новизна,открытие нового, неизвестного ранее отличают науку от других видов человеческой деятельности. Научное открытие — это как раз то событие в…  

Роль науки в обществе

В содержание понятия НТПвходят: кадровый ресурс науки (люди занимающиеся наукой), а также вся совокупность, система условий, способствующая… а располагаемым научно-техническим потенциалом. Примером здесь может быть… на мировом рынке высоких технологий. Они правы, сегодня ведется напряженная борьба за первенство в разработках новых…

Дискуссия о роли науки в развитии культуры

научный метод, требующий доказательства каждого утверждения, наука как общий язык человечества, ее логика могут предложить человечеству лучший путь,… ВЫВОДЫ 1. Наука - важнейший фактор развития современного общества.

Глава 1.2. КЛАССИФИКАЦИЯ НАУК

Основные понятия: естественные, гуманитарные и технические науки,

фундаментальные и прикладные науки

 

Критерии классификации наук

Классификация — это метод, позволяющий описать многоуровневую, разветвленную систему элементов и их отношений. Наука о классификации называется систематикой. Различают искусственную и естественную классификацию. В первой не учитываются существенные свойства классифицируемых объектов, вторая эти свойства учитывает. Еще мыслители Древней Греции поставили вопрос о типах и видах наук, целью которых является знание. В дальнейшем этот вопрос развивался, и решение его является актуальным и сегодня. Классификация наук представляет информацию о том, какой предмет изучает та или иная наука, что ее отличает от других наук и как она связана с другими науками в развитии научного познания. Общепринятой


 

является классификация на основе следующих признаков: предмет наук, метод

Исследования и результат исследования.

 

Классификация наук по предмету исследования

По предмету исследования все науки делятся на естественные, гуманитарные и технические.

 

Рис. 1. Классификация наук

 

 

 
Естественные наукиизучают явления, процессы и объекты материального мира. Этот мир иногда называется внешним миром. К данным наукам относятся физика, химия, геология, биология и другие подобные науки. Естественные науки изучают и человека как материальное, биологическое существо. Одним из авторов представления естественных наук как единой системы знаний был немецкий биолог Эрнст Геккель (1834—1919). В своей книге «Ми-

ровые загадки» (1899) он указал на группу проблем (загадок), которые являются предметом изучения, по существу, всех естественных наук как единой системы естественно-научных знаний, естествознания. «Загадки Э. Геккеля» можно сформулировать следующим образом: как возникла Вселенная? какие виды физического взаимодействия действуют в мире и имеют ли они единую физическую природу? из чего в конечном итоге состоит все в мире? чем отличается живое от неживого и каково место человека в бесконечно изменяющейся Вселенной и ряд других вопросов фундаментального характера.

На основании вышеизложенной концепции Э. Геккеля о роли естественных наук в познании мира можно дать следующее определение естествознания.

Естествознание — это система естественно-научных знаний, создаваемая естественными наукамив процессе изучения фундаментальных законов развития природы и Вселенной в целом.

Естествознание является важнейшим разделом современной науки. Единство, целостность естествознанию придает лежащий в основе всех естественных наук естественно-научный метод.

Гуманитарные науки— это науки, изучающие законы развития общества и человека как социального, духовного существа. К ним относятся история, право, экономика и другие аналогичные науки. В отличие, например, от биологии, где человек рассматривается как биологический вид, в гуманитарных науках речь идет о человеке как творческом, духовном существе. Технические науки— это знания, которые необходимы человеку для создания так называемой «второй природы», мира зданий, сооружений, коммуникаций, искусственных источников энергии и т. д. К техническим наукам относятся космонавтика, электроника, энергетика и ряд других аналогичных наук. В технических науках в большей степени проявляется взаимосвязь естествознания и гуманитарных наук. Создаваемые на основе знаний технических наук системы учитывают знания из области гуманитарных и естественных наук. Во всех науках, о которых говорилось выше, наблюдается специализация и интеграция.Специализация характеризует глубокое изучение отдельных сторон, свойств исследуемого объекта, явления, процесса. Например, юрист может посвятить всю свою жизнь исследованию проблем развития уголовного права. Интеграция характеризует процесс объединения специализированных знаний из различных научных дисциплин. Сегодня наблюдается общий процесс интеграции естествознания,


 

гуманитарных и технических

наук в решении ряда актуальных проблем, среди которых особое значение имеют глобальные проблемы развития мирового сообщества. Наряду с интеграцией научных знаний развивается процесс образования научных дисциплин на стыке отдельных наук. Например, в ХХ в. возникли такие науки, как геохимия (геологическая и химическая эволюция Земли), биохимия (химические взаимодействия в живых организмах) и другие. Процессы интеграции и специализации красноречиво подчеркивают единство науки, взаимосвязь ее разделов. Разделение всех наук по предмету изучения на естественные, гуманитарные и технические сталкивается с определенной трудностью: к каким наукам относятся математика, логика, психология, философия, кибернетика, общая теория систем и некоторые другие? Вопрос этот

не является тривиальным. Особенно это касается математики. Математика,как отмечал один из основателей квантовой механики английский физик П. Дирак (1902—1984), — это орудие, специально приспособленное для того, чтобы иметь дело с отвлеченными понятиями любого вида, и в этой области нет предела ее могуществу. Знаменитому немецкому философу И. Канту (1724—1804) принадлежит такое утверждение: в науке столько науки, сколько в ней математики. Особенность современной науки проявляется в широком применении

в ней логических и математических методов. В настоящее время ведутся дискуссии о так называемых междисциплинарных и общеметодологических науках.Первые могут представлять свои знания озаконах исследуемых объектов

во многих других науках, но как дополнительную информацию. Вторые разрабатывают общие методы научного познавания, их называют общеметодологическими науками. Вопрос о междисциплинарных и общеметодологических науках является дискуссионным, открытым, философским.

 

Теоретические и эмпирические науки

Слово «теория»заимствовано из древнегреческого языка и означает «мыслимое рассмотрение вещей». Теоретические наукисоздают разнообразные модели… кономерности исследуемых явлений, процессов и объектов. Например, для того чтобы понять закономерности теплового…

Фундаментальные и прикладные науки

Фундаментальные наукиисследуют самые глубокие элементы, структуры, законы мироздания. В XIX в. было принято называть подобные науки «чисто научными… «фундаментальные науки» целесообразно заменить термином «фундаментальные… Прикладные науки,или прикладные научные исследования,ставят своей целью использование знаний из области…

Глава 1.3. ОСНОВНЫЕ ИСТОРИЧЕСКИЕ ЭТАПЫ РАЗВИТИЯ ЕСТЕСТВОЗНАНИЯ

Основные понятия: классическая, неклассическая и постнеклассическая наука, естественно-научная картина мира, развитие науки до эпохи Нового времени, развитие науки в России

 

Классическая, неклассическая и постнеклассическая наука

Исследователи, изучающие науку в целом, выделяют три формы исторического развития науки: классическую, неклассическую и постнеклассическую науку.

Классической наукой называют науку до начала ХХ в., имея в виду научные идеалы, задачи науки и понимание научного метода, характерные для науки до начала прошлого века. Это прежде всего вера многих ученых того времени в рациональное устройство окружающего мира и в возможность точного причинно- следственного описания событий в материальном мире. Классическая наука исследовала две господствующие в природе физические силы: силу тяготения и электромагнитную силу. Механическая, физическая и электромагнитная картины мира, а также концепция энергии, основанная на классической термодинамике, являются типичными обобщениями классической науки. Неклассическая наука

— это наука первой половины прошлого века. Теория относительности и квантовая механика являются базовыми теориями неклассической науки. В этот период разрабатывается вероятностная трактовка физических законов: абсолютно точно нельзя предсказать траекторию движения частиц в квантовых системах микромира. Постнеклассическая наука(фр. post — после) — наука конца ХХ в.

и начала XXI в. В этот период уделяется большое внимание исследованию сложных, развивающихся систем живой и неживой природы на основе нелинейных моделей. Классическая наука имела дело с объектами, поведение которых можно предсказать в любое желаемое время. В неклассической науке появляются новые объекты (объекты микромира),прогноз поведения которых дается на основе вероятностных методов. Классическая наука также использовала статистические, вероятностные методы, однако она объясняла невозможность предсказания, например, движения частицы в броуновском движении большим количеством взаимодействующих частиц,поведение каждой из которых подчиняется законам классической механики.

В неклассической науке вероятностный характер прогноза объясняет вероятностной природой самих объектов исследования (корпускулярно-волновой природой объектов микромира).

Постнеклассическая наука имеет дело с объектами, прогноз поведения которых

с некоторого момента становится невозможным, т. е. в этот момент происходит действие случайного фактора. Такие объекты обнаружены физикой, химией, астрономией и биологией.

Нобелевский лауреат по химии И. Пригожин (1917—2003) справедливо отмечал, что западная наука развивалась не только как интеллектуальная игра или ответ на запросы практики, но и как страстный поиск истины. Этот трудный поиск находил свое выражение в попытках ученых разных веков создать естественнонаучную картину мира.


 

Понятие естественно-научной картины мира

— очевидно, поскольку он работает и мыслит как ученый, никакого сомнения в реальности предмета научного исследования нет и быть не может»1. Научная… не прибегая к ненаблюдаемым причинам и фактам. Ниже дается краткое изложение научных идей и учений, развитие которых привело к созданию естественно-научного метода и…

Античная наука

и Индии происходило развитие ма- 1 Баландин Г. Вернадский: жизнь, мысль, бессмертие. М.: Знание, 1979. С.… тематики, астрономии, медицины и философии. В 301 г. до н. э. войска

Развитие науки в период Средневековья (V-XIV вв. н. э.)

  н. э., умер в возрасте 58 лет. Его «Медицинский канон» состоит из пяти книг,… которых содержатся медицинские

Возрождение

В эпоху Возрождения религиозным деятелем, врачом и астрономом Н. Коперником (1473—1543) была создана гелиоцентрическая система мира. Он предложил… Великим астрономом этого периода был Тихо Браге (1546—1601), родился в южной… И. Кеплеру. В его системе все планеты, кроме Земли, вращались вокруг Солнца, которое само вращалось вокруг Земли. К…

Новое время - эпоха создания естествознания (XVII -XVIII вв.

Н.э.)

Факторы, которые способствовали развитию естествознания в Новое время:

1. Изменение социально-экономических и материальных условий в Западной и Центральной Европе. Росла численность населения городов, возникли производство стекла, металла и другие технологии. Развивались национальные государства, произошли другие изменения.

2. Реформа церкви.

3. Создание в 1603 г. Академии в Италии просвещенным маркизом Фредерико Чези. Она получила название «Академия Линнеев». Линчей — итальянское название Линкея (герой мифов греков, наделенный богами феноменальным зрением, видел сквозь землю, воду и камни). Линкей — символ человека, видящего больше других, является титулом, который присваивается членам Рим-

ской академии наук. Этой академии Г. Галилей подарил собственными руками сделанную трубу, которую один из членов этой академии — грек Доминикано — назвал телескопом: теле — далекий, скопос — вижу. В 1624 г. Галилей подарил этой академии «трубу-малышку», усовершенствованный им микроскоп.

«Академия Линчеев» была практически первым прообразом будущих академий наук в Европе.

4. Создание общей теории оптических приборов. Это событие оказало огромное влияние на методологию исследования природы. Начиная с XIII в., идея возможности создания «зрячих очков» Приобрела практическое очертание в XVII

в. В разных странах многие исследователи занимались этой проблемой. Этой проблемой занимался Г. Галилей и добился хороших практических результатов. Начиная с декабря 1609 г., он стал использовать телескоп с двадцатикратным увеличением. Результаты своих астрономических наблюдений он оформил в виде книги, которую назвал «Звездный вестник». Данная работа является первым сообщением об астрономических исследованиях с помощью телескопа. Послав свой «Звездный вестник» И. Кеплеру, он получил не только письмо с восхищением о его результатах, но и краткое изложение теории телескопа, которую И. Кеплер разработал на основе открытого им закона внутреннего отражения света в зрительной трубе. С его теории начинается прикладная наука

об оптических приборах. Г. Галилею принадлежит первенство в создании «малой трубы» (оккиалино) размером в три с половиной или пять метров для рассмотрения мелких предметов, сквозь которую «муха кажется столь же большой, как курица». В 1628 г. основатель этой академии Ф. Чези с помощью микроскопа исследовал живые клетки и описал их некоторые функции.

5. Создание «Лондонского Королевского общества для содействия познанию Природы», на гербе которого был девиз: «Ничьими словами», представляющего часть одной из строк «Посланий Горация»: «Я не обязан клясться ничьими словами, кто бы он ни был». Название этого общества сохранено в названии


 

современной Британской академии наук. Общество было создано в 1645 г.

молодыми докторами философии и математики Дж. Валлисом и Дж. Вилкинсом

на основе Лондонского Грешэм колледжа, платного учебного заведения, где лекции читали известные специалисты любопытствующим молодым людям, как правило, из богатых семей. Среди этих молодых слушателей был Роберт Бойль

(1627—1690), в будущем основатель физики газов и химии. Это сообщество сыграло огромную роль в координации исследований природы учеными разных стран. Первой опубликованной работой данного сообщества была

«Микрография» (1665 г.) Р. Гука. В ней он изложил результаты наблюдений мельчайших предметов с помощью сконструированного им же микроскопа со стократным увеличением. Р. Гук был уникальным ученым-экспериментатором. Он известен как автор закона о линейной зависимости деформации упругого тела

и как один из авторов клеточной теории строения живого. Он ввел термин

«клетка». С 1703 г. президентом этого общества стал Исаак Ньютон, который в

1687 г. в своей работе «Математические начала натуральной философии» изложил основные принципы классической механики, первой физической теории движения.

Членом Лондонского Королевского общества был и самоучка-ученый автор работы «Тайны природы» (1673), написанной для философов, нидерландец Антони Левенгук (1632—1723). Создав микроскоп с увеличением в 300 раз, он открыл живые микросущества, которые назвал «анималькулями». Антони Левенгук в течение значительного периода регулярно оповещал своих коллег из Королевского общества о своих собственных наблюдениях с помощью изобретенного им метода наблюдения. Лишь в начале ХХ в. американскому бактериологу Коэну удалось разгадать этот метод.

6. В XVII в. появился ряд выдающихся философов и ученых. К ним принадлежал немецкий философ, правовед, математик, логик и ученый Г. Лейбниц. Лейбниц был придворным ученым. Это позволило ему внушить ряду сильных мира сего мысль о необходимости создания Академии наук. При его активном содействии они появились в Германии, Австрии и в России. Он был советником Петра I (1672—1725), жил последние годы жизни на жалованье из царской казны. Под его влиянием в России возникла Академия наук (1725). Лейбниц считал главными двигателями прогресса общества творцов науки, а не полководцев и «сильных мира сего». Он создал научный журнал «Лейпцигские ученые записки». Другим философом, оказавшим огромное влияние на изменение образа науки в XVII в., был Френсис Бэкон. Ему принадлежат яркие тезисы:

«Истина — дочь времени, а не авторитета», «Человеческое знание и власть совокупны», «Сколько знаешь, настолько и свободен», «Истинное знание — это знание причин», «Достоинство нау-

ки укрепляется ее свершениями и пользой». Французская академия естественных наук была создана в 1666 г.

7. В Новое время успешно развивалась медицина. Уильям Гарвей (1578—1637)

— английский профессор анатомии и хирургии в Лондоне — в работе

«Анатомическое исследование о движении сердца и крови у животных» (1628) довольно точно описал работу сердца. Гарвей не мог объяснить, для чего нужно кровообращение: для питания или охлаждения. Но он точно объяснил механизм ритмичной работы сердца. Противники называли его «cierculatior», что по латыни звучало и как шарлатан, обманщик, и как циркуляция, обращение. После Английской революции (1642) ему пришлось из придворного врача превратиться

в обычного врача-исследователя. В последние годы жизни он занимался эмбриологией. Он исследовал эмбрионы птиц. Его домработница говорила, что он разбил понапрасну такое количество яиц, которого хватило бы на яичницу для всего населения Англии того периода. Ему принадлежит знаменитая фраза: «все

из яйца». Свои исследования он проводил без микроскопа. Он полностью отрицал идею самозарождения жизни.


 

Интересна судьба итальянского медика из Болоньи Мальпиги (1628—1694),

которого считают создателем микроскопической анатомии. В 1661 г. он опубликовал свои наблюдения о строении легкого и описал кровеносные капиллярные сосуды, соединяющие артерии с венами. Он подвергался нападкам и преследованиям. Жизнь свою закончил в Риме, будучи личным врачом римского папы, отказавшись от чтения лекций и активной исследовательской работы.

 

Развитие естествознания и науки в России

толкования религиозных текстов, положений Библии. Строительство, военное дело, сельское хозяйство, борьба с болезнями готовили людей, обладающих… Начиная с 1721 года, он предпринимает практические шаги по созданию Академии… об академиях Запада были разработаны конкретные предложения: кого, сколько и каких специалистов приглашать для работы…

Раздел 2. КОНЦЕПЦИИ КЛАССИЧЕСКОЙ НАУКИ

 

 

Глава 2.1. МЕХАНИЧЕСКАЯ ФИЗИЧЕСКАЯ КАРТИНА МИРАОсновные понятия: физика, классическая механика, детерминизм, механическая физическая картина мира, силъа тяготения, пространство и

время, силы близкодействия и дальнодействия

 

Понятие детерминизма

и состоящее из атомов. Механическая (механистическая, машинная) картина мира— это система взглядов, согласно которой мир, Вселенная, является… 1. Первоначальная предопределенность всех событий в мире Богом. 2. Возможность предсказания траектории движения тела в пространстве и времени. Обсуждение этих значений детерминизма…

Физика и классическая механика

Физика и механика — термины, заимствованные из древнегреческого языка. Первый означает в буквальном переводе природа, второй — искусство создания машин, машина или механизм. Физика— наука о самых фундаментальных элементах материального мира, природы, Вселенной в целом, о законах и физических силах, господствующих во всем окружающем человека мироздании.

К фундаментальным элементам, которые изучает физика, относятся частицы,

атомы, ядра атомов, вещество, поле и т. п. Физические силы, изучаемые физикой,

— это силы, которые действуют между материальными телами, частицами, полями, излучениями. Физика отличается от химии. Химияизучает в основном вещества, их строение, свойства и превращения. Химические

1 Концепции современного естествознания. 100 экзаменационных ответов. Экспресс-

справочник для студентов вузов. Ростов-на-Дону, 2002. С. 58.

свойства вещества — это способность вещества превращаться в другие вещества. Всвое время М. В. Ломоносов прозорливо заметил, что химия будет сближаться с физикой в изучении химических свойств веществ. До второй половины ХХ в. химия изучала способность превращения вещества на уровне электронных оболочек атомов (обмен электронами и т. п.). Современная химия изучает превращение веществ уже с учетом их внутреннего физического строения (ядро атома, его состав, силы взаимодействия внутри ядра т. п.).

Первая научная физическая теория была создана в XVII в.В ее создании участвовало много великих умов человечества, однако ее создателями считаются Галилей и Ньютон. Созданная ими физическая теория называется механикой Галилея — Ньютона. Дальнейшее развитие этой механики называется классической механикой.

Классическую механику называют теорией макромира или макротел, т. е. разделом физики, изучающим физические события, явления в мире материальных тел и систем материальных тел, физические параметры которых достаточно велики (движение молекул, тел, состоящих из молекул и т.д.). Методы и технические средства исследования классической механики не оказывают существенного влияния на физические параметры исследуемых объектов. Измеряя температуру жидкости в сосуде спомощью термометра, исследователь знает, что температура самого термометра существенно не изменит температуру измеряемой жидкости. Иначе обстоит дело, когда исследователь работает сэлектронным микроскопом. Здесь происходит воздействие прибора на изучаемый объект. И оно существенно.

Раздел механики, вкотором изучается движение материального тела во времени без учета причин, вызывающих это движение, называется кинематикой. Динамика— это раздел механики, в котором изучаются законы механического движения материальных тел с учетом причин, вызывающих эти движения.

Под причинойв механике понимается сила, воздействие которой приводит к изменению состояния механического движения материального тела. В механике для определения изменения состояния движения материального тела используетсяпонятие «система отсчета».Это произвольно выбранная система материальных тел (отдельное тело или материальная точка как обозначение материального тела), с которой связана система прямоугольных коор-

динат. Эта система координат позволяет определить положение тел в пространстве иизменение их положения относительно других тел в этом пространстве в результате их механического движения.

Классическая механика постулирует (принимает без доказательства), что в механическом движении тела, системы тел их внутренние физическое свойства ивнешние физические параметры не изменяются. Масса тела (систем тел) остается постоянной, температура, плотность и другие показатели остаются также неизменными. Следовательно, любое материальное тело можно представить как материальную точку или как систему, состоящую из множества материальных


 

точек. Такой подход позволяет исследовать механическое движение частиц,

составляющих тела, в различных агрегатных состояниях: твердое тело, жидкость, газ, фазовые переходымежду агрегатными состояниями. В твердом теле частицы находятся вблизи, на коротких расстояниях, в жидкости — на больших расстояниях и т. п.

В механике рассматриваются замкнутые и незамкнутые системытел. Замкнутые системы — это взаимодействие тел без учета воздействия на них внешних сил. Сам источник возникновения движения в материальном мире тел в механике как физической теории не рассматривается. Обсуждение этого вопроса возникает в механической картине мира. Незамкнутые системы — это взаимодействия тел с учетом действия на них внешних сил или окружающей среды.

 

Механика Галилея

клонной плоскости подтверждал принцип, согласно которому все тела падают на поверхность Земли с одним и тем же ускорением (среднее — 9,8 м/с2), т. е. … независимо от материала, из которого они созданы.

Физическая теория И. Ньютона

  заседание общества, которое он направил Ньютону, он изложил собственные соображения о законе обратных квадратов.

Содержательные допущения и следствия механики Галилея -

Ньютона

к реальному, материальному миру. Данному вопросу можно придать современный смысл. Сила тяготения — это сила… образом свет распространяется в космическом пространстве? Реальное время течет от прошлого к будущему, которые имеют…

Механическая картина мира

«Математические начала натуральной философии» была переведена с латинского языка на французский язык. Затем Вольтер написал популярное изложение… в виде мировой машины или механизма, подчиняющегося законам механического… Триумфом механики И. Ньютона стали открытия астрономов. В 1781 г. была открыта планета Уран, в 1846 г. — Нептун, в…

Глава 2.2. ЭЛЕКТРОМАГНИТНАЯ КАРТИНА МИРА

Основные понятия: электрическое и магнитное взаимодействия, заряд, поле, электромагнитная физическая картина мира, закон электромагнитного взаимодействия

 

Классическая электродинамика

Эта теория была создана в 60-х годах XIX в., в ней речь идет о законах связи электрических и магнитных сил. На основе данной теорий были сделаны попытки создания электромагнитной картины мира. Если теория Галилея — Ньютона имела дело с веществом, то эта теория — с понятием физического поля.

Электрические и магнитные силы относятся к естественным наблюдаемым явлениям. Например, естественный магнит представляет минерал, названный магнетитом, образующийся в процессе окисления железа при высокой температуре. Этот минерал довольно широко распространен на поверхности Земли. Римский философ и поэт Лукреций, живший в 99—55 гг. до н. э., считал, что термин «магнит» произошел от названия местности Холмы Магнезии в Малой Азии, где добывали железную руду. Есть и другая версия. Утверждается, что это слово произошло от названия «камень Магнитуса» (Магнитус — это имя пастуха, которому древнегреческой легендой II в. до н. э. приписывается факт обнаружения притягивания железного наконечника палки и железных гвоздей его сапог определенными каменными породами).

Термин «электричество» происходит от древнегреческого слова «elektron» — янтарь. Еще античные мыслители знали, что натертая шерстью янтарная палочка приобретает новое физическое свойство — при прикосновении к другим телам она вызывает искрение или свечение. В дальнейшем это свойство было названо электрически заряженным телом.

Свойство тел вступать в электромагнитные взаимодействия с другими телами и величину силы этого взаимодействия называют зарядом.Электрические заряды делятся на положительные и отрицательные. Положительный заряд возникает на стекле, натертом кожей, отрицательный— на янтаре, натертом шерстью.

 

Кратко об истории изучения магнетизма

polus — ось, граница, предел чего-то) в словосочетании «географический полюс» означает точку пересечения оси вращения Земли с земной поверхностью.…   плато, на высоте 2800 м).

Исследование электрической силы

  накапливает электричество, отрицательный — это заряд тела, теряющего электричество. Франклин не знал, что электричество связано с движением электронов. Поэтому то, что он назвал…

Понятие физического поля

взаимодействия между электрическими зарядами на расстоянии М. Фарадей ввел понятие физического поля. Физическое полеон представлял как свойство… М. Фарадей изложил в письме-завещании, которое было вскрыто лишь в 1938 г. в…  

Теория электромагнитных сил Д. Максвелла

1. Любой электрический ток вызывает или создает магнитное поле в окружающем его пространстве. Постоянный электрический ток создает постоянное… нитное поле (неподвижный магнит) не может создавать электрическое поле вообще… 2. Образовавшееся переменное магнитное поле создает переменное электрическое поле, которое, в свою очередь, создает…

Электромагнитная картина мира

1894) занялся экспериментом, доказывающим флюидную природу электричества. К этому времени О. Френель (1788—1827) показал, что свет распространяется не… Этот эксперимент стал основой для создания электромагнитной физической картины мира, одним из приверженцев которой был…

Глава 2.3. КЛАССИЧЕСКИЕ КОНЦЕПЦИИ ЭНЕРГИИ И ВРЕМЕНИ

Основные понятия: энергия, энтропия, негэнтропия, диссипация, классическая и современная термодинамика, физический смысл времени, обратимые и необратимые термодинамические процессы, космологические следствия второго начала классической термодинамики

 

Классическая термодинамика

Энергия является основным понятием этой теории, созданной в 60-х годах XIX

в.

Возникновение классической термодинамики связано с исследованием

следующих проблем:

1. Поиск механического эквивалента теплоты, т. е. попытка представить теплоту как результат механического движения частиц, из которых состоят твердые тела, жидкости и газы. Эта проблема возникла еще в XVII—XVIII вв., но решение ее было найдено только в конце XIX в.

2. Изучение тепловых процессов в машинах, создаваемых промышленностью конца XVIII в. и первой половины XIX в. Речь идет уже не только о паровых машинах, но и электрических.

3. Исследование обмена веществ, теплообмена в организмах. В первой половине XIX в. возникла органическая химия, которая использовала знания неорганической химии о теплообмене при химических реакциях. Немецкий физиолог М. Рубнер (1854—1932) применил законы классической термодинамики

к изучению теплообмена в микроорганизмах.

4. Проблемы наблюдательной астрономии, интересовавшейся рассеянием тепла в космосе. Ученые, которые занимались этими проблемами, не только жили

в разные времена и в разных странах, но и не работали по определенной единой программе, как это делается в современной науке. Поэтому им не всегда было ясно, кто первым из них достиг значительного результата в решении проблем, о которых говорилось выше. Например, немецкий судовой врач Ю. Майер (1814—

1878) был убежден в том, что он первым установил механический эквивалент теплоты, а не английский физик Дж. Джоуль (1819—1888). Далее, во многих учебниках по истории химии начала ХХ в. развитие атомистической концепции в химии обычно связывалось с именем английского химика Дж. Дальтона (1766—

1844), тогда как за 67 лет до появления его работы по химии эта концепция уже была представлена в работах М. Ломоносова.

Изучение вышеуказанных проблем привело к введению в науку нового физического понятия — термодинамической системы.Это система живых или неживых тел, частиц или молекул, состояние которой определяется значением ее термодинамических параметров (температура, плотность и другие). Например, вода при изменении ее термодинамических параметров может перейти в состояние льда и пара.

Понятие термодинамической системы является обобщением двух идей: а) идеи

о строении всего существующего из атомов (твердое тело, газ, жидкость) и б)

результатов изучения так называемого броуновского движения.

Оно было открыто в 1827 г. английским учителем ботаники Р. Броуном (1773—1853). Речь идет о беспорядочном движении мельчайших частиц, взвешенных в жидкости или газе, под действием еще меньших частиц жидкости или газа. Изучение этого движения показало, что охлаждение окружающей среды этих частиц (газ, жидкость) приводило к уменьшению скорости взвешенных


 

частиц, увеличение температуры среды вело к увеличению интенсивности их

движения.

Эти наблюдения опровергали представление о тепле как невидимой физической сущности, переходящей от одного тела к другому, и подтверждали другую точку зрения — о корпускулярном строении вещества. Эта точка зрения была высказана М. Ломоносовым в работе «Размышления о причинах теплоты и стужи» (1745), согласно которой тепло возникает в результате трения корпускул (частиц), из которых состоят все физические тела (твердые, жидкие, газообразные). Он утверждал, что эти частицы шарообразны и вращаются вокруг собственной оси. М. Ломоносову были уже известны два явления, физическая суть которых была в дальнейшем выражена другими исследователями в форме законов: закон сохранения массы, закон сохранения количества тепла при разложении и соединении в химических реакциях. Как оказалось впоследствии, идеи М. Ломоносова были известны Дж. Джоулю, у которого корпускулы (частицы) обладали еще колебательным движением.

 

Энергия

ков волновой теории света, автором гипотезы о поперечности световых волн и формулировки принципа интерференции (1801). Однако широкое распространение этого термина в языке науки связывают с именем… за заслуги в развитии мировой и английской науки он стал именовать себя Кельвином (название реки перед его домом). Дж.…

Законы классической термодинамики

Классическая термодинамика сформулировала два основных закона. Принято формулировать эти законы в двух видах: как принципы, выражающие физическое содержание термодинамических систем, и как оценка технической возможности создания «вечного двигателя» первого и второго рода.

Первый закон. Закон сохранения энергии.Два исследователя, Ю. Майер и Дж. Джоуль, практически одновременно подошли к формулировке закона сохранения энергии для термодинамических систем. Работа Ю. Майера «Обмен веществ» была опубликована в 1845 г. Работа Дж. Джоуля «Механический эквивалент теплоты» — в 1875 г. Оба установили механический эквивалент теплоты. Но Дж. Джоулю принадлежит приоритет в создании знаменитой установки, в которой механическое движение винта под действием спускающихся вниз гирь приводило к нагреванию воды в сосуде. Здесь механическое движение под действием веса гирь вызывало интенсивное движение молекул воды, повышение ее температуры. Он же установил электрический эквивалент теплоты (прохождение электрического тока по проводнику ведет к его на-

греванию). Единицей теплоты является калория. Одна калория означает количество тепла, которое необходимо для нагревания 1 г. воды при нормальном давлении 760 мм рт. ст. от 14,5 до 15,5 °С. 1 ккал — это 1000 кал. Единицей энергии в форме работы является джоуль (Дж). Один джоуль — это работа силы

в 1 Н (ньютон) по перемещению тела массой в 1 кг вдоль направления действия силы на 1 м.

В 1880 г. английский физик Роуланд уточнил значение механического эквивалента теплоты: 1кал — 4,19 Дж, 1 эВ (электронвольт) — 1,6 • 10-19 Дж. Хотя


 

механический эквивалент теплоты стал широко известен благодаря работам Ю.

Майера и Дж. Джоуля, однако еще в 20-х годах XIX в. он был уже использован французским математиком, физиком С. Карно (1796—1832) в его работе «О движущих силах огня и машинах, способных развивать эту силу» (1824).

С. Карно исследовал термодинамическую природу так называемых круговых циклов. Круговым циклом называется термодинамический цикл, в котором рабочее тело возвращается в исходное положение. В своих исследованиях С. Карно пользовался понятием идеальной тепловой машины, изолированной от окружающей ее внешней среды, т. е. действия на нее внешних сил. В этой машине основой являются обратимыетермодинамические процессы: энергия, переходя в другой вид в прямом направлении, переходит из возникшего вида энергии в обратном направлении, последовательно повторяя все промежуточные состояния

в прямом процессе. Это позволило ему сделать вывод, что в идеальной машине энергия сохраняется, не исчезает, переходя из одного вида в другой.

Закон сохранения энергии формулируется следующим образом:поступающая в термодинамическую систему энергия в форме тепла должна быть равна сумме приращений внутренней энергии системы и работы, совершаемой

системой против действия внешних сил. Этот закон раскрывает функциональный смысл понятия энергии термодинамической системы.

В другой формулировке:невозможно сделать двигатель первого рода, который бы совершал работу без подвода к нему энергии извне или совершал бы работу в большем количестве, чем то количество энергии, которое было к нему подведено извне.

В более широком смысле этот закон сформулирован немецким физиком Р.

Эммануэлем (1822—1888), известным больше по ла-

тинскому варианту своей фамилии как Р. Клаузиус. Энергия мира постоянна, т.

е. энергия мира не исчезает и не создается, а существует в постоянном количестве, переходя из одной формы в другую.

Второй закон был сформулирован Клаузиусом:

«Теплота не может самопроизвольно переходить от менее нагретого тела к более нагретому телу». В формулировке У. Кельвина: невозможно создать

Периодически действующую машину, единственным результатом которой было бы поднятие груза за счет охлаждения теплового резервуара.

имеющая неиссякаемую внутреннюю энергию, которую можно использовать в виде механического движения рабочего тела (механизма) во внешней среде. Первый закон классической термодинамики запрещает возможность подобного «вечного двигателя», поскольку в этом случае существовал бы изолированный от внешней среды вечный источник…

Энтропия

Клаузиус ввел понятие энтропии. Энтропия означает в переводе с латинского языка поворот, превращение. Энтропия выражала у… Энтропияобозначается символом S, а ее изменение — ∆S. В дальнейшем это понятие уточнялось на основе новых…

Основные следствия термодинамики XIX в.

бы сделать, как полагал Максвелл, демон, который бы сортировал молекулы газа относительно величины их скорости. С большей скоростью — в одну часть… Австрийский физик, основатель статической физики Л. Больцман (1864—1906)… Закон Л. Больцмана утверждал, что в равновесном состоянии идеального газа

Раздел 3. КОНЦЕПЦИИ НЕКЛАССИЧЕСКОЙ НАУКИ

 

 

Глава 3.1. ТЕОРИЯ ОТНОСИТЕЛЬНОСТИОсновные понятия: время и пространство, масса и энергия, релятивистская механика, неевклидова геометрия,

неклассическая наука

 

Альберт Эйнштейн

А. Эйнштейн принадлежал к числу выдающихся личностей, которые интересны не только своими результатами, но и тем, как они мыслили и над какими… А. Эйнштейн пришел к выводу о необходимости радикального изменения… «Мне аплодируют, потому что все понимают, что я играю. Вам — за то, что Вас

Опыт Морли - Майкельсона

Майкельсон (офицер ВМФ США, затем профессор прикладных наук) провел эксперимент, идея которого была предложена в 1875 г. Д. К. Максвеллом. Идея этого эксперимента состояла в измерении абсолютной скорости Земли относительно эфира. Если…

Преобразования Лоренца

Голландский физик X. А. Лоренц (1853—1928), лауреат Нобелевской премии (1902), создатель классической электронной теории, предложил математическое… ние Лоренца. Это преобразование координат движущего или покоящегося… 1. Согласно преобразованию X. Лоренца длина движущегося тела в направлении его движения сокращается или остается…

Специальная теория относительности (СТО)

1. Все физические законы должны выглядеть одинаковыми во всех инерциальных системах отсчета. 2. Скорость света в вакууме не изменяется при изменении состояния движения… Следствия, вытекающие из первого принципа:

Релятивистская механика

лятивистской механики, в которой масса и энергия стали рассматриваться как проявления одной и той же физической сущности, реальности. В этой… В релятивистской и в классической механиках в замкнутой физической системе… но соотношения здесь другие: р = m0v/√1-(v2/с2) и Е = т0с2 /√1 - v2/с2, где т0 —

Математическая теория пространства

Главная причина этих неудач заключается в том, что все опровержения пятого постулата исходили из геометрий, которые строились также на аксиомах,… в. и начале XIX в. была построена новая геометрия на основе понятия «бесконечно малого масштаба измерения» в качестве образца, эталона измерения

Рис. 2

Точка M' приближается к точке М прямой L при увеличения радиуса R и отдаляется от прямой L при уменьшении радиуса R окружности, касательной в точке О прямой L. Величина 1/Ä — кривизна прямой ОМ в точке О

Согласно К. Гауссу, существа на поверхности шара (сфере), не прибегая к

третьему измерению, построили бы свою геометрию, опираясь на понятие

«бесконечно малого масштаба измерения» (рис. 3).

 

Рис. 3

Линия R лежит на поверхности сферы (ее участка S), линия Q находится на плоскости под участком поверхности сферы — S. Отрезок РР' (на лини R) расстояние между точками Р и Р' на поверхности сферы. При бесконечном сближении точки Р и Р' на линии R получится отрезок РР' на поверхности сферы, которому будет соответствовать отрезок РР' на линии Q как кратчайшее расстояние между точками на

плоскости

Понятие «бесконечно малого масштаба измерения», являясь высокого уровня

абстракцией, позволяет рассматривать не только свойства пространства,

удовлетворяющие постулату Евклида, но

и выйти на исследования геометрий неевклидового типа. Для этой цели К. Гаусс ввел понятие нежестких координат в отличие от жестких координат Р. Декарта (рис. 4).

 

Рис, 4. Система координат Гаусса для искривленной поверхности

В этой системе координат масштаб измерения по каждой из ее составляющих (V, U)… = E(du)2+ 2 F du dv+ G (dv)2, где ds — бесконечно малое расстояние между точками Р и

Рис. 5. Седловидная поверхность Лобачевского - Больяй

Если совместить точку Ρ с началом прямоугольной системы координат (координата Y совпадает с линией C1PC2, а Х — с перпендикулярной линией, пересекающей C1PC2 в точке Р), то радиус окружности, касательной в точке Р1 находящейся на РС1, будет иметь положительное числовое значение, а радиус окружности на линии РС2 — значение отрицательное. Произведение обратных числовых значений радиусов этих окружностей будет иметь отрицательное числовое значение (К < 0)


 

С точки зрения неевклидовой геометрии возможны следующее значения кривизны К: К> 0 — это сферическая геометрия. В этой геометрии линии имеют конечную длину, двигаясь по ним, мы снова возвращаемся к исходной точке, сумма углов треугольника здесь всегда больше 180°. К < 0 — это геометрия Лобачевского и Больяй. Здесь линии обладают бесконечной протяженностью, и через точку, лежащую вне прямой линии, можно провести бесконечное множество не пересекающихся с ней линий. Сумма углов треугольника здесь всегда меньше 180. К = 0 — это евклидова геометрия.

Таким образом, математическое понятие «бесконечно малого масштаба измерения» стало ключевым для создания неевклидовой геометрии. Наглядность пространственной симметрии стала уступать симметрии чисел.

 

Геометрия Б. Римана

Б. Риман ввел более «прозаическое» в математическом смысле понятие индекса обозначений. Индекс обозначений в геометрии Б. Римана позволяет в пространстве с…  

Рис. 6. Пространство поколений гражданина S в геометрии Римана

Пространство поколений данного гражданина будет определяться количеством и последовательностью индексов. Отсутствие потомства обозначается индексом 0. Каждой точке такого пространства будет однозначно соответствовать определенное количество индексов


 

В геометрии Римана используется понятие тензора. Тензор(лат. tensus—

напряженный) — это величина, характеризующая «напряженность» компонентов

в областях пространства. Так, для определения положения 3-го поколения гр. S необходимо 4 индекса, для 2-го — 3 индекса, для 1-го — 2 индекса, т. е. всегда на один индекс больше. Совокупность членов (компонентов) одной области (в данном случае одного поколения гр. S) называется тензором,поскольку все компоненты данной области (поколения) имеют одинаковое количество индексов обозначения. Тензоры имеют соответствующие ранги. Например, тензор 1-го ранга описывает «пространство» первого поколения в данном примере. Тензор 4-

го ранга в геометрии Римана соответствует нашему трехмерному миру (длина, ширина и высота). Математические исследования показали в дальнейшем, что понятие тензора в геометрии Римана можно использовать для описания поля тяготения в его геометри-

ческой трактовке. В этом случае понадобится тензор с 20 компонентами

(импульс, энергия и т. д.).

 

ОТО основывается на двух принципах или постулатах

2. Принцип эквивалентности тяжелой и инертной масс тела. Первый принцип утверждает, что законы физики должны иметь один и тот же вид не только в инерциальных системах, но и в… то он будет находиться в состоянии невесомости. Все окружающие его предметы

Следствия ОТО

он распространяется медленнее, чем вдали от него. 2. Ход часов замедляется при приближении к источнику гравитации. 3. В структуре пространство — время — энергия (вещество, поле, излучение) возможны образования, структуры, где сила…

Глава 3.2. СОВРЕМЕННОЕ ЕСТЕСТВОЗНАНИЕ О ФИЗИЧЕСКОЙ РЕАЛЬНОСТИ И СИЛАХ ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ

В ПРИРОДЕ

Основные понятия: эволюция представлений о строении вещества,


 

квантовая механика и квантовая теория, классификация частиц,

физические величины постоянной Планка, теория кварков,

современная модель строения атома, антивещество

 

Сегодня известно пять сил физического взаимодействия

В конце прошлого века была доказана электромагнитная природа этих сил. К глюонным силамотносят физические силы, которые придают целостность и… в современной физике используется такое физическое состояние, как вакуум(лат.… «вакуум» — это уровень разряжения газа, когда длина пробега частицы газа превышает линейный размер сосуда, в котором…

Гипотеза М. Планка

в другой. Из анализа кривых излучения абсолютно черного тела, вид которых был установлен эмпирически, М. Планк получил формулу: W = hf где W —… М. Планк рассматривал квант-энергии лишь как удачную гипотезу для объяснения данных наблюдения динамики теплового излучения. Однако Н. Бор придал этому понятию определенный физический…

Н. Бор сформулировал в 1913 г. постулаты для объяснения модели атома

Резерфорда.

уменьшаться, и поскольку его масса существенно меньше ядра атома, то сила тяготения «заставит» его упасть на ядро атома. Второй постулат(правило квантования орбит электрона). Переход от стационарного состояния атома осуществляется путем…

Квантовая механика

не частица.Цель его была найти волновое уравнение, определяющее движение волны-электрона в атоме. Это уравнение он обозначил греческой буквой ψ… 1], то можно говорить с большой вероятностью, что этот электрон находится в… Уравнение Э. Шредингера выражает в математической форме движение не только электрона атома, но и любого микрообъекта в…

Современная квантовая теория

Первой частицей, с которой началось создание квантовой механики, был электрон. Но уже к 1908 г. стали говорить о фотоне.На современном уровне фотон… поля. Он не имеет массы покоя, нет системы отсчета, в которой он находится в … покое, т. е. не движущегося фотона не существует. Он движется со скоростью света. Фотоны излучаются атомами, ядрами…

В СССР в 1954 г., затем в Великобритании — в 1956 г.

из которых он состоит. Способность нейтронов проникать глубоко в ядра атомов химических элементов используется в создании новых методов… «рассеивания» нейтронов в веществе увидеть расположение атомов кристаллов:… К 30-м годам ХХ в. было доказано существование протона.В переводе сгреческого означает первый. Существование его было…

Открытие протона и нейтрона привело к созданию протонно-

Нейтронной модели атома

  протона. В этой модели было непонятно, каким образом достигается физическое единство атома на уровне его ядра и электронных…

Радиоактивностью называется самопроизвольное или искусственное (сознательное воздействие на ядра атомов) превращение ядер одних химических элементов в ядра других химических элементов.

Естественная и искусственная радиоактивность сопровождается, но не обязательно, тремя видами излучения: альфа-излучение, бета-излучение и гамма- излучение; последнее не является, строго говоря, самостоятельным видом излучения и всегда присутствует при альфа- и бета-излучениях. Искусственная радиация, позитронное бета-излучение, аннигиляция, распад частиц были открыты французскими физиками Ф. Жолио-Кюри (1900—1958) и И. Жолио- Кюри (1897—1956). Законы как естественного, так и искусственного распада ядер атомов одинаковы. Если взять, например, 1 кг урана-235, в котором содержится п


 

количество атомов, то за определенный период времени сначала распадается

половина ядер, затем эта половина ядер распадается еще на половину до тех пор, пока не появится некоторый стабильный химический элемент. Период времени, за который распадается половина ядер радиактивного химического элемента, называется периодом полураспада. Период полураспада у известных сегодня радиоактивных элементов колеблется от 310-7 сдо 51012 лет.

Например, уран-238 имеет 12 этапов превращения в другие химические элементы, которые имеют свои периоды полураспада и соответствующие альфа- и бета- излучения. Период полураспада урана-238 оценивается в 4,47 млрд лет. В конечном итоге распад урана-238 заканчивается появлением стабильного химического элемента (свинец-206). Зная, какое количество урана-238 необходимо для появления определенного количества свинца-206, можно вычислить возраст Земли, отталкиваясь от количества содержания свинца-206 в земных породах.

Наряду с реакцией ядерного деления существует реакция ядерного синтеза:

не деление ядер, а сближение, соединение ядер. Реакция синтеза ядер существует реально внутри звезд (например, она происходит во внутренних слоях нашего Солнца). Внутри Солнца температура достигает 15 млн градусов Цельсия. При такой температуре ядра теряют электроны, образуется агрегатное состояние, которое называется плазмой. Поскольку ядра имеют положитель-

ный заряд, то при их сближении электростатическая сила их отталкивания

резко увеличивается. Для того чтобы преодолеть этот барьер, необходима большая скорость движения ядер. При очень высоких температурах ядра теряют свои электроны. Плазма,с учетом бесконечного количества наблюдаемых звезд, является самым типичным агрегатным состоянием во Вселенной.

Искусственное создание плазмы в земных условиях является важнейшей энергетической проблемой для человечества. Для этого строятся различного типа установки для получения и удержания плазмы. Получение плазмы сегодня возможно, однако проблема ее удержания, «отбора» ее энергии для практических нужд (производства электроэнергии) остается пока сложной технической проблемой. Наша страна занимает одно из ведущих мест в разработке этой проблемы. Создание плазмы на основе синтеза легких химических элементов (водородоподобных атомов) позволило бы обеспечивать человечество практически неиссякаемым энергетическим ресурсом (водород — самый распространенный химический элемент во Вселенной). Например, синтез дейтерия 2 Н и трития 3 Ндал бы огромное количество энергии.

1 1

Реакторы на плазме, как утверждают специалисты, являются намного

безопаснее современных, которых сегодня в мире приблизительно 600 (промышленные ядерные реакторы для производства электричества и тепла). Сегодня проводятся исследования по созданию «ядерных котлов», в которых реакция ядерного деления создает температурные условия для реакции ядерного синтеза. По мнению специалистов, в нашей стране эти исследования близки к практическим применениям.

 

Что объяснила протонно-нейтронная модель атома

«туннельным эффектом», т. е. волновой природой альфа-излучения. 2. Бета-излучениесуществует двух видов: бета-электронное и бета- позитронное.Первое возникает в результате распада в ядре

Азото-кислородным циклом.

 

Модели объяснения сил физического взаимодействия в атоме

200—300 раз превышающую массу обычного электрона. При такой массе электрона размер ядра атома также должен увеличиться в 200—300 раз в сравнении с… Другая модель предлагала рассматривать протон и нейтрон как состояние одной и…  

Нейтроны удерживаются в ядре в результате обмена некоей средней

Вычисления этой частицы показали, что она должна быть по массе в 200 раз больше электрона и иметь три разновидности: положительный, отрицательный и… Из предложения X. Юкава следовало, что сильное взаимодействие внутри ядра… и нейтрона, а не гравитационные, электромагнитные и слабые силы взаимодействия. Необычность этой гипотезы состоит в…

Три группы.

Вторая группа— лептоны(греч. leptoc — легкий). Эти частицы участвуют в электромагнитных и слабых взаимодействиях. К лептонам относятся электрон,… «лептон» употребляется по принятой традиции. Например, таон не является… Третья группа включает адроны(греч. hadroc — сильный, крупный). Эта

Для объяснения природы вещества, физических полей, излучения и вакуума используется в настоящее время систематизация частиц на основе значения их изотопического спина.

Кпервой группе относят частицы с полуцелым спином. Их назвали ферми- частицамив честь выдающегося итальянского физика Э. Ферми (1901 — 1954). К ним относят кварки, из которых состоят частицы, участвующие в сильном взаимодействии (адроны), а также лептоны, которые нельзя собрать из кварков.

Ферми-частицы образуют вещество, состоящее из атомов.

Ко второй группе относят частицы с целым значением их спина. Это кванты полей, соответствующие известным физическим силам. Так квант электромагнитного поля привязывает электрон к ядру атома. К этой группе относят бозоны. Они названы в честь известного индийского физика Ш. Бозе (1894—1974). Бозоны представляют собой физическое поле сильного и слабого взаимодействий внутри ядра атома. Глюоныэто кванты глюонного поля,


 

«склеивающего» кварки в адроны.Сложнее обстоит дело с представителями

гравитации и квантового вакуума как исходного физического состояния в эволюции Вселенной: фотон и глюон— это лишенные массы покоя частицы, следовательно, должен быть гравитон как квант поля тяготения, а также кванты исходного вакуума, на которые претендуют хиггсоныи бозе-частицысо спином, равным нулю. Некоторые авторы утверждают, что если гравитон — лишенная массы покоя частица, то соответствующий ему фермионный партнер гравитинодолжен весить в 100 раз больше протона. Если гравитинообнаружат, то это будет доказательством правильности идеи суперсимметрии,лежащей в основе современного представления о строении материального мира.

В конце прошлого столетия рассматривались теории, в которых частицы понимались, грубо говоря, не как точки, а как протяженные структуры, струны. Отсюда происходит название этих теорий — «струнные теории». Вэтих теориях сложным образом происходит соединение математики и физики1.

Проблема единого физического поля.Современная квантовая теория связывает возникновение атомов и известных сил физического взаимодействия с неким физическим состоянием в эволю-

1 Природа. М., 1990. С. 13-22.

ции Вселенной, когда не было различия между физическими полями и силами.

Для уточнения этого состояния часто используются так называемые планковские масштабы(расстояние, время, плотность, температура, масса и объем) в качестве самого минимального процесса осуществления кванта-энергии в природе (эра Планка). Для уточнения эры Планка предполагается, что такие физические постоянные, как скорость света, постоянная Планка и гравитационная постоянная,

не меняли своего значения со временем: с = 300 тыс. км/с, ≈1,05 · 10-27г · см2/с,

G≈ 6,7 · 10-8см3/(г · с2). Расстояние, длина Планка (RПланка) - это минимальное расстояние действия кванта энергии. Оно равно приблизительно 10-33 см (RПланка =

· Масса Планка (МПланка) имеет энергетический эквивалент, равный 1019

 
ГэВ/с2. Масса Планка — 10-5 г (МПланка =)· Время Планка (tПланка)

определяется по фор-

 

муле: tПланка = = 10-43 с. Плотность Планка (ρПланrа) вычисляется по формуле:- Объем

Планка примерно равен длине Планка в кубе, т. е. 10-99 см3. Площадь кванта пространства примерно равна длине Планка в квадрате, т. е. 10-66 см2. Планковские величины (длина, время, масса, плотность) позволяют вычислить температуру Планка, соответствующую величинам Планка. Эта температура равна 1032К. Масштабы Планка соответствуют параметрам, состоянию Вселенной

12 млрд лет тому назад по одной из моделей эволюции Вселенной, о чем речь пойдет в следующей теме.

По мнению некоторых ученых, об объединении всех сил взаимодействия можно говорить в следующих масштабах:

1. На расстоянии 10-16 см и энергетическом уровне в 100 ГэВ (100 млрд эВ) идет объединение электромагнитного и слабого взаимодействия. Это было экспериментально доказано.

2. На расстоянии 10-29 см и энергетическом уровне в 1015 ГэВ достигается объединение трех видов взаимодействия (сильного, слабого и электромагнитного). Это состояние называют Великим объединением.

3. На расстоянии 10-33 см и энергетическом уровне в 1019 ГэВ можно говорить о состоянии Вселенной, когда все силы взаимодействия, включая гравитацию, и глюонные силы не были дифференцированы. Этот уровень соответствует хиггсонам, представ-

ляющим физический вакуум, и называется суперобъединением.Сегодня


 

техника позволяет достигать температуры нескольких миллионов градусов

(например, лазеры) и энергии приблизительно 2· 104 ГэВ.

 

Таблица 1. Таблица единиц величин размеров

Макрообъекты Микрообъекты
Дека- 10 Деци - 10-1 м
Гекто - 102 Санти — 10-2 м
Кило - 103 Милли — 10-3 м
Мега - 106 Микро — 10-6 м
Гига - 109 Нано — 10-9 м
Тера-1012 Пико - 10-12 м
Пета - 1015 Фемто — 10-15 м
Экса- 1018 Атто — 10-18 м

 

Некоторые понятия, которые используются для объяснения вопросов о

строении вещества. Формула Е = тс2 позволяет выразить массу в единицах измерения энергии и скорости света: т = Е/с2. Энергия измеряется в джоулях, эргах и электрон-вольтах (эВ). 1 эВ — это энергия, которую приобретает электрон

в электрическом поле, созданном разностью потенциалов в 1 вольт. Один эрг (1

эрг) равен 10-7 Дж. Один джоуль (1 Дж) равен приблизительно 6,24 · 1018 эВ.

Формула Больцмана Е= kК (k — постоянная Больцмана, равная 1,38 · 10-23

Дж/К, К — температура тела по шкале Кельвина) позволяет выразить температуру через энергию.

В настоящее время имеется теория петлевой гравитации. В ней согласуются принципы теории относительности и квантовой механики (величины Планка). Согласно этой теории пространство и время, воспринимаемые нами как непрерывные, на самом деле состоят из дискретных частиц пространства и времени1.

1 В мире науки. 2004. № 4. С. 48.

ВЫВОДЫ

1. Квантовая механика не отрицает наличия в мире детерминированных и обратимых событий, поскольку уравнение Шредингера позволяет вычислить вероятность определенного значения физической величины и среднее значение физических величин.

2. В решении проблемы классификации частиц используются две известные статистики (Ферми -Дирака и Бозе - Эйнштейна). В первой - фермионы представляют

частицы вещества с полуцелым спином, во второй - бозоны представляют кванты полей

и имеют целочисленное значение спина.

3. Кварки наряду с электрическим зарядом имеют цветовой заряд. Это способность кварков участвовать в образовании частиц сильного физического взаимодействия

(смешение цветов кварков делает образованные из них частицы обычными,

бесцветными).

4. Не ясно, сколько существует поколений частиц (например, к первому поколению иногда относят электрон, электронное нейтрино и два кварка (верхний и нижний)).

5. Из квантовой теории следует существование антивещества, состоящего из

античастиц протонов, нейтронов и позитронов. В связи с этим возникает вопрос, почему наш мир состоит из вещества. Интерес к этому вопросу стал актуальным с развитием

современной космологии, созданием моделей эволюции Вселенной.

ВОПРОСЫ ДЛЯ САМОПРОВЕРКИ И СЕМИНАРОВ

1. Какие физические силы взаимодействия известны естествознанию?

2. На каких расстояниях действуют силы сильного взаимодействия?

3. Что утверждает теория кварков?

4. О каких величинах речь идет в гипотезе о существовании эры Планка?

5. Антивещество в современном естествознании.

 

Глава 3.3. СОВРЕМЕННЫЕ КОНЦЕПЦИИ ПРОИСХОЖДЕНИЯ ВСЕЛЕННОЙ

Основные понятия: классические, неклассические и постнеклассические концепции происхождения Вселенной

В современных концепциях Вселенной часто используются два необычных

термина «скрытая масса»и «темная материя, или энергия».«Скрытая масса»


 

галактик или скопления галактик означает не наблюдаемую массу объектов, масса

которых влияет на наблюдаемое движение галактики или галактик.

«Темная материя или энергия» — это огромная энергия вакуума, из которого,

как полагают некоторые исследователи, когда-то возникла Вселенная.

 

Модели и концепции происхождения Вселенной

в буквальном переводе с греческого языка означает совместные действия. Основные принципы синергетикисформулированы Г. Хакеном следующим образом: 1. Существуют общие законы развития сложных систем во времени. 2. Все самоорганизующиеся системы являются открытыми системами.

Нерелятивистские модели эволюции Вселенной классической науки

Французский зоолог Ж. Л. Леклерк, граф Бюффон (1707—1788), принадлежит

к числу ученых XVIII в., интересовавшихся вопросами эволюции Вселенной. Он является автором гипотезы образования планет из вещества Солнца, выброшенного из недр Солнца за счет его вращения. Он проводил эксперименты

с раскаленными и остывающими вращающимися шарами, которые позволили ему высказать мысль о том, что на образование Земли потребовалось всего лишь 75 тыс. лет.

Эволюционная идея Бюффона близка небулярной гипотезе немецкого философа И. Канта и французского математика, физика П. Лапласа. Оба исходили

из предположения об образовании структур во Вселенной (в частности, Солнечной системы, о которой в основном речь шла в гипотезе Лапласа) из космических частичек космического облака. И. Кант ввел в свою гипотезу наряду

с силой тяготения еще и силу отталкивания. Работа И. Канта с изложением этой гипотезы появилась в 1754 г., работа Лапласа «Изложение системы мира» — в

1798 г. Разумеется, в то время не представлялось возможным говорить о размерах этого облака ифизико-химических свойствах составляющих его частиц. Здесь было много логики, рассуждений и интуиции. В частности, Лаплас считал, что в первоначальном своем состоянии Солнце по своим размерам превышало радиус орбиты планеты Юпитервокруг Солнца. Юпитер — самая большая планета Солнечной системы (планета-гигант). Ее поперечник в 13 раз больше поперечника Земли (радиус Земли = 6370 км). Юпитер в 300 раз массивнее Земли

и в 2 раза массивнее всех планет Солнечной системы, вместе взятых. Из него можно «выкроить» 1300 шаров размером с Землю. Период обращения Юпитера вокруг Солнца составляет, приблизительно 12 земных лет. Период вращения вокруг своей оси составляет приблизительно 10 часов. Среднее расстояние от Солнца равно 778,3 млн км (5,2 а. е.). Он имеет более 40 спутников.

Согласно Лапласу сжатие, размеры, вращение Солнца привели к отделению в плоскости его экватора части вещества в форме газового кольца, из которого образовались планеты. Фрагментация этого кольца привела к образованию планет, из которых по тому

же механизму образовались и спутники отдельных планет. В гипотезе Лапласа

Солнечная система представлялась замкнутой механической системой. Она столкнулась с объяснением момента количества движения Солнца и его планет. Под моментом количества движения имеется в виду, грубо говоря, распределение движения вещества системы относительно неподвижной точки на оси вращения всей системы. Оказалось, что момент количества движения планет в 20 раз больше момента количества движения Солнца. Это противоречило законам сохранения классической механики.

Лишь в середине ХХ в. советский ученый О. Ю. Шмидт (1891—1956) предложил новую гипотезу о Солнечной системе, в которой она представлялась открытой динамической системой, происхождение которой связано с процессом образования нашей Галактики. Тем самым вопрос о соответствии момента количества движения Солнечной системы и ее составляющих элементов потерял свою актуальность. Гипотеза И. Канта — П. Лапласа оказала большое влияние на развитие эволюционных представлений о Вселенной, поскольку содержала много


 

прозорливых идей. В частности, в ней четко прослеживалась мысль о том, что

между исходными физическими и химическими свойствами элементов туманностей и свойствами образовавшихся из них объектов должно существовать определенное соответствие.

Эта идея нашла свое выражение в космогонических моделях. Основателем

наблюдательной космогонии считается великий английский астроном В. Гершель(1738— 1822). Он является автором морфологической гипотезы образования звезд из ярких газовых туманностей, которые, в свою очередь, в соответствии с законом всемирного тяготения, образовались из аморфных, бесформенных неконцентрированных туманностей. Гипотеза В. Гершеля имела много последователей в XIX в. На ее основе возникло так называемое великое космологическое заблуждение XIX в. Считалось, что звезды образуются из туманностей, типа туманности Андромеды. ВХХ в. было доказано, что эти яркие туманности являются на самом деле галактиками, состоящими из огромного количества звезд.

В 1912 г. американский астроном В. Слайфер,пользуясь телескопом с приборами спектрального анализа, установил, что яркие туманности В. Гершеля

— это галактики. Он же установил факт «разбегания», удаления галактик.

Но в то время шла Первая мировая война, и на данное открытие не обратили

внимания. Надо подчеркнуть, что это открытие не было известно ни А.

Эйнштейну, ни А. Фридману, когда они создавали свои модели Вселенной.

Что касается космологического заблуждения XIX в., то еще в 1847 г. наш соотечественник В. Струве (1793—1864) доказал, что пространство между звездами уменьшает светимость звезд приблизительно на 0,6 звездной величины. Этот факт позволил бы избежать великого космологического заблуждения XIX в. Существуют не только яркие туманности (галактики), но и собственно туманности (холодные, теплые, горячие туманности из атомарного, молекулярного водорода) в межзвездной среде. Но это было известно уже в ХХ в. Космогонические идеи В. Гертеля получили развитие в начале ХХ в.

В 1902 г. английский астроном Д. Джинc(1877—1946) опубликовал работу

«Устойчивость сферической туманности», в ней он использовал информацию из газовой термодинамики. Он полагал, что звезды образуются из газовых облаков за счет действия силы тяготения, которая заставляет их сжиматься, скручиваться и уменьшаться в объеме. Этот процесс, по Джинсу, приводит к увеличению плотности газа в объеме его нагревания, что выражается в возникновении силы давления, направленной против действия силы тяготения. Таким образом, у него плотность газового облака соответствует силе гравитации, а давление — упругости среды в результате сжатия гравитацией газового облака. Сила гравитации и сила давления составляют физическую основу его гипотезы: соотношение между давлением и плотностью определяет степень устойчивости звезды, образованной из газового облака. Д. Джинc вычислил некоторые величины, необходимые для звездообразования, получившие название — величины Джинса: Rj — приблизительно 1,5 · 104 (радиус облака, необходимый для звездообразования); Mj— приблизительно 1,4 массы Солнца; Lj— длина Джинса, расстояние, на котором сила тяготения и давления сравнимы по величине.

Д. Джине не располагал сведениями о химическом составе межзвездной среды (МЗС). Эти сведения появились позднее. Одним из интересных следствий данной гипотезы является возможность возникновения в расширяющейся однородной среде областей, в которых собственная скорость расширения отстает от скорости расширения всей среды в целом. В 40-х годах ХХ в. наш

соотечественник Ε. Μ. Лившиц сформулировал гипотезу, согласно которой

«отстающие» области в расширяющейся однородной среде могут создавать относительно устойчивые структуры в таких средах. Это является одним из способов решение парадокса, сформулированного немецким астрономом Г.


 

Ольберсом в 1826 г.

В 1900 г. американский астроном Э. Пнкеринг(1846—1919) предложил разбитьвсе известные звезды на спектральные классы, учитывающие светимость (силу… Для того чтобы получить точные данные о светимости звезды, астрономы… которая обозначается символом М. Надо иметь в виду, что астрономия при

Горизонталь — классы звезд, вертикаль — светимость звезд

 

 

1 Зигель Ф. Ю. Сокровища звездного неба (путеводитель по созвездиям и Луне). 5-е изд. М.: Наука, 1987. С.16.

Диаграмма наглядно показывает области звезд-сверхгигантов (ярких, средних,

слабых), субгигантов (лат. sub — под), а также область звезд, получившая название главной последовательности (ГП), на которой находится наше Солнце, и области карликов и субкарликов.

Распределение наблюдаемых звезд на диаграмме показало, что большинство из них находится на ГП. Диаграмма косвенно указывала на определенные динамические процессы, происходящие в наблюдаемой области Вселенной.

Г. Ресселл предложилгипотезу «скольжения» илисудьбы звезд. Согласно этой гипотезе звезда из области звезд гигантов переходит со временем на главную


 

последовательность, а затем скользит вниз, в область карликов. Данная гипотеза

подчеркивала важное значение знаний о процессах, происходящих внутри звезд.

В работе «Звезды и атомы» (1927) и в своих последующих работах А. Эддингтон построил модель Солнца. Кратко суть этой модели состоит в следующем: внутри Солнца происходят два типа реакций: протонно-протонная и азотно-углеродная. Эти реакции были предложены американским физиком Г. Бете (второй вид реакции был предложен независимо от Г. Бете астрофизиком К. Ф. фон Вейзекером).

Первый цикл начинается с взаимодействия двух протонов. Оно ведет к образованию дейтерия (21Н), взаимодействие которого с другим протоном ведет к образованию трития (3 Н), далее взаимодействие дейтерия и трития ведет к образованию гелия (4 Не) и нейтрона с образованием огромной энергии, которая позволяет возникнуть синтезу ядер азота и углерода. При температурах более 200 млн градусов Кельвина происходит, как полагают ученые, синтез ядер атомов практически всех элементов таблицы Менделеева.

А. Д. Эддингтон вычислил температуру внутри Солнца, равную 15 млн градусов Кельвина. При такой температуре обычное вещество переходит в состояние, называемое плазмой.Из модели А. Эддингтона следовало, что звездами следует называть космические объекты, внутри которых идут термоядерные реакции. Эти реакции возникают при температурах свыше 10 млн градусов Кельвина. Современные данные подтверждают выводы модели А. Эддингтона. В 40-х годах ХХ в. стал известен химический состав Солнца: водород приблизительно 91%, гелий приблизительно

7%, другие химические элементы приблизительно 2—3% (тяжелые химические

элементы).

 

Релятивистские модели Вселенной

Исследователи, которые стали анализировать эту модель, обратили внимание на ее чрезвычайную неустойчивость, подобную стоящей на ребре монете, одна… А. Фридман, физики математик Петроградского университета, опубликовал в 1922 г. статью «О кривизне пространства». Вней…

Галактик означает расширение пространства, следовательно, в прошлом

был создан мир. Из этой модели следует, что понятие плотности вещества может быть использовано для определения границы применимости понятий… Модель «Большого взрыва».Наш соотечественник Г. Гамов (1904—1968) работал в Петроградском университете и был знаком с космологическими идеями

Раздел 4. ПРОБЛЕМЫ И КОНЦЕПЦИИ

ПОСТНЕКЛАССИЧЕСКОЙ НАУКИ

 

 

Глава 4.1. СОВРЕМЕННАЯ АСТРОНОМИЯ ОБ ОБЪЕКТАХ ВСЕЛЕННОЙ

Основные понятия: галактики, сверхскопления галактик звезды, наша Галактика Млечный Путь, Солнечная система, «черные дыры», «белые дыры»

Сегодня астрономам известны следующие представители «населения

космоса»:скопления и сверхскопления галактик, звезды, системы звезд, системы звезда — планета, планеты, скопление звезд, межгалактические системы облаков или межгалактическая среда (МГС), межзвездная среда в галактиках (МЗС) и астероиды (греч. astereideis — звездоподобный). Известны также кометы (длинноволосый — в переводе с греческого), метеориты (парящие в воздухе — в переводе с греческого) и многие другие интересные объекты, о которых речь пойдет ниже.

Галактика(греч. galaktikos — млечный) — крупномасштабная структура во Вселенной, состоящая из межзвездной диффузной среды и большого количеств звезд, находящихся в гравитационном взаимодействии между собой и межзвездной средой. В темные летние ночи на безоблачном небе можно заметить широкую слабо светящуюся полосу, опоясывающую весь небосвод, которая напоминает след пролитого молока. В древности эту полосу назвали Млечным Путем. Возраст нашей Галактики приблизительно 1010 лет.

В 1609 г. Г. Галилей с помощью изобретенного им телескопа обнаружил, что Млечный Путь — это огромное скопление звезд. Важным достижением астрофизики прошлого века было открытие межзвездной среды (МЗС). Объекты МЗС называют облаками. Исследование МЗС нашей Галактики - Млечный Путь, показало, что химический состав Солнца аналогичен химическому составу МЗС:

90% — водорода, 7% — гелия, 2—3% тяжелые химические элементы (цифры приблизительные).

Систематическое исследование галактик было начато в начале прошлого века, когда были установлены на телескопах приборы для спектрального анализа световых излучений звезд.

Американский астроном Э. Хаббл разработал метод классификации известных ему тогда галактик с учетом их наблюдаемой формы. В его классификации выделены несколько типов (клас-

сов) галактик, в каждом из которых существуют подтипы или подклассы. Он

же определил примерное процентное распределение наблюдаемых галактик:

эллиптическиепо форме (приблизительно 25%), спиральные(приблизительно

50%), линзообразные(приблизительно 20%) и пекулярные(неправильной формы) галактики (приблизительно 5%).

Сегодня известно, что галактики объединяются в устойчивые структуры (скопления и сверхскопления галактик). Астрономам известно облако галактик с плотностью 220 032 галактик на один квадратный градус. Наша Галактика входит

в скопление галактик, которое называют Местной системой.

ВМестную систему входят наша Галактика, галактика Туманность Андромеды, спиралеобразная галактика из созвездия Треугольник и еще 31 звездная система. Поперечник этой системы —

7 млн световых лет. В это объединение галактик входит галактика Туманность Андромеды, которая существенно больше нашей Галактики: ее диаметр более 300 тыс. св. лет. Она находится на расстоянии 2,3 млн св. лет от нашей Галактики и состоит из нескольких биллионов звезд. Наряду с такой огромной галактикой, как Туманность Андромеды, астрономам известны галактики-карлики.

В созвездиях Льва и Скульптора обнаружены почти шарообразные галактики


 

размером 3000 св. лет в поперечнике. Имеются данные о линейных размерах

следующих крупномасштабных структур во Вселенной: звездные системы — 108

км, галактики, содержащие около 1013 звезд, — 3 · 104 св. лет, скопление галактик

(из 50 ярких галактик) — 107св. лет, сверхскопления галактик— 109 св. лет.

Расстояние между скоплениями галактик равно приблизительно 20 · 107св. лет.

Обозначение галактик принято давать относительно соответствующего каталога: обозначение каталога плюс номер галактики (NGC2658, где NGC — новый общий каталог Дрейера, 2658 — номер галактики в этом каталоге). В первых звездных каталогах галактики ошибочно фиксировались как туманности определенной светимости. Во второй половине ХХ в. было установлено, что классификация галактик Хаббла не является точной: существует большое множество разновидностей пекулярных по форме галактик. Местная система(скопление галактик) входит в гигантское сверхскопление галактик, поперечник которой составляет 100 млн лет, наша Местная система находится от центра этого сверхскопления на расстоянииболее 30 млн св.лет. Современная астро-

номия использует широкий спектр методов исследования объектов,

находящихся на огромных расстояниях от наблюдателя. Большое место в астрономических исследованиях занимает метод радиологических измерений, разработанный в начале прошлого века.

В основе этого метода используется закон «периода полураспада радиактивного химического элемента». Период полураспада означает промежуток времени, в течение которого исходное число ядер химического элемента в среднем уменьшается вдвое. Например, уран-238 (238U) превращается в свинец-

206. Вычислив соотношение количества стабильных ядер химического элемента свинца и число не распавшихся ядер урана-238 в геологической породе, можно установить примерный ее возраст.

Для установления возраста органических остатков используется радиоуглеродный метод.Радиоактивный изотоп углерода 14С имеет период полураспада 5370 лет. Этот изотоп образуется ватмосфере Земли в результате воздействия идущих из космоса на Землю нейтронов на ядра азота 14N. Было установлено, что в живых растениях и животных содержится такая же концентрация 14С (в расчете на 1 млн атомов), как и в земной атмосфере. В мертвых организмах содержится меньше углерода 14С, чем в живых. Следовательно, чем меньше содержание углерода 14С в исследуемых органических остатках, тем больше их возраст. Методика радиологического измерения времени образования геологических пород Земли является достаточно точной, что позволяет говорить о возрасте Земли в 4,5 + 0,2 млрд лет на основе радиологического метода измерения времени.

 

Галактика Млечный Путь

лактике. Предполагается, что масса ядра галактик составляет всего лишь несколько процентов от массы всей Галактики. Для определения масс…  

Звезды

Самым распространенным небесным телом в наблюдаемой Вселенной являются звезды. По современным представлениям, звезда — это газоплазменный объект, в котором происходит термоядерный синтез при температурах свыше 10 млн градусов по шкале Кельвина. По своему химическому составу звезды близки: состоят в основном из водорода, гелия и небольшого процента тяжелых химических элементов, но существуют большие различия в их массе, светимости

и размерах. Называются примерные величины массы звезды: от 0,04 до 0,08 масс Солнца (минимальные) и от 60 до нескольких сотен масс Солнца (максимальные). Однако по этому вопросу высказываются различные взгляды. В туманности Тарантул в галактике Большое Магелланово Облако обнаружен объект (R. 136а)

со светимостью 108 светимости Солнца, что говорит о его огромной массе в 4000 масс Солнца. С помощью современного Хаббловского космического телескопа удалось уточнить структуру этого объекта, который, как оказалось, состоит из не-

скольких сверхгигантов, имеющих массу, как полагают, равную 100—150

массам Солнца. Это предположение основывается на измерении скорости истечения вещества из этих звезд, которая равна приблизительно 3500 км/с, тогда как у известных сверхгигантов спектрального класса О она равна 1000 км/с. Есть еще один кандидат на сверхмассивную звезду в галактике NGC1058, блеск которого указывает на массу в 2000 масс Солнца.

Светимость — величина полного светового потока, испускаемая единицей поверхности источника света. Светимость звезды означает, грубо говоря, силу света звезды. Для современной астрофизики светимость звезды может многое рассказать о ее внутренних процессах. Цвет, светимость звезд позволяет разделить их на классы и подклассы:

— бело-голубые с температурой поверхности от 10 000 до 30 000 К и более;

— желтые (наше Солнце) с температурой поверхности 6000 К;

красные(холодные) с температурой поверхности 2000 К.

Кроме этого, очень важным параметром звезды является периодичность и характер изменения светимости звезды, а также наличие тесного гравитационного взаимодействия с близкими звездами-соседями. В последнем случае имеется в виду, что многие звезды обращаются вокруг общего гравитационного центра с одним или несколькими звездами компаньонами.

Изучение звезд началось с древнейших времен, о чем свидетельствуют древние источники Китая, Японии, Вавилона, и сохранение терминологии, принятой в их обозначении. Например, великий астроном Тихо Браге ввел в 1572 г. термин

«новая звезда». Он имел в виду факт рождения на небесной сфере новой звезды.

На самом деле то, что назвал Браге новой звездой, является определенным состоянием уже ранее существовавшей звезды. Существует точка зрения, что новая звезда в терминологии Т. Браге — это звезды — гравитационные двойники. Одна из этих звезд находится в очень нагретом состоянии, а другая — более холодная. Переход энергии-массы от одной звезды к другой приводит к яркой вспышке звезды, обогатившейся энергией-массой другой. Новые звезды Т. Браге называют по традиции обыкновенными новыми звездами. В нашей Галактике зафиксировано не менее 170 подобных звезд.

В 1934 г. по предложению американцев Ф. Цвикки и В. Бааде был введен

новый термин «сверхновая звезда» для обозначения объектов в галактиках,


 

неожиданные вспышки которых превосходили по своей светимости наблюдаемую

светимость галактик. Сверхновая звезда — это взорвавшаяся звезда с выбросом огромной энергии (1040 эрг/с), сопровождающимся истечением с высокой скоростью (до 10 000 км/с) выброшенного из звезды вещества. В 1987 г. астрономы наблюдали вспышку сверхновой звезды в галактике Большое Магелланово Облако с помощью Хаббловского космического телескопа, находящегося на околоземной орбите на расстоянии 360 км. Предварительная обработка информации, полученной с помощью Хаббловского космического телескопа, подтвердила теоретические предположения о звездах этого типа: 1)

10% массы этой звезды излучается в виде частиц нейтрино. Туманность, которая образовалась в результате взрыва сверхновой звезды, содержит не только легкие химические элементы, но и тяжелые — серу, железо, кремний и некоторые другие. Это означает, что взрыв сверхновых звезд обогащает межзвездную среду галактик тяжелыми химическими элементами; 2) после взрыва сверхновой звезды остается центральное тело — остаток звезды, которое удерживает вокруг себя образовавшуюся туманность. В конце прошлого века было известно более 1500 сверхновых звезд.

Относительно судьбы звезд между специалистами в основном нет крупных расхождений. Считается, что судьба звезды зависит главным образом от ее массы:

1) звезда с массой 1,2 массы Солнца превращается в белый карлик;2) звезда с массой в 5 раз больше массы Солнца превращается в нейтронную звезду; 3) звезда

с массой в 10 раз больше массы Солнца превращается в черную дыру.

На существование «черных дыр» астрофизики возлагают большие надежды в связи с разгадкой расхождения между массами наблюдаемой и вычисленной применительно к нашей Галактике. Наблюдаемая масса нашей Галактики составляет всего лишь 15—20% от ее полной массы, согласно вычислениям

«господствующей» в ней силы тяготения, плотности излучения и т. п. Предполагается существование «черных дыр» внутри ядра нашей Галактики. В начале 2004 г. было сообщение в средствах массовой информации о захвате куска массивной звезды в галактике RXD-J «черной дырой». Звезда находится на расстоянии в 100 млн раз больше расстояния от Земли до Солнца: Современная астрономия обнаружила мощные источники пополнения межгалактической

среды и межзвездной среды в галактиках энергией-массой и излучением.

Цефеиды— это переменные звезды. Впервые такого рода звезда была обнаружена в созвездии Цефея. Отсюда их название. Эти звезды периодически меняют свою светимость от 1 до 50 суток (иногда и более) с амплитудой изменения блеска от 0,5т до 2т. Считают, что внутренние процессы этих звезд приводят не к взрывам, а к их расширению и сжатию с определенной периодичностью, что и ведет к изменениям их светимости. Цефеиды — сверхгиганты и гиганты. Радиус цефеид в 30 раз больше солнечного (солнечный радиус равен 700 тыс. км). Пульсары— это источники импульсного электромагнитного излучения, проявляющегося в оптическом диапазоне, в диапазонах радиоволн, рентгеновского и гамма излучений. Это обстоятельство позволяет астрономам классифицировать пульсары с учетом диапазонов их излучения.

Пульсары создают излучение с удивительной точностью их повторения или периодичности от нескольких сотен долей секунды до секунды и более. Пульсары были открыты в 1967—1968 гг. Эта периодичность наводила на мысль некоторых исследователей на разумный, цивилизованный характер импульсов излучения, существование внеземных цивилизаций. Исследования пульсаров установили, что

из более двухсот обнаруженных пульсаров практически все они находятся в нашей Галактике. Расстояние до них колеблется от 100 до 85 тыс. св. лет. Наша Галактика — 100 тыс. св. лет в поперечнике. Причем располагаются пульсары в том же спиральном рукаве, что и наше Солнце. Большинство пульсаров излучают свою энергию в диапазоне рентгеновского излучения. Определение возраста


 

пульсаров с периодом излучения 0,5— 2 с показало, что возраст их составляет от

1 до 30 млн лет.

Одним из объяснений пульсаров является модель «нейтронной вращающейся звезды», у которой ось вращения не совпадает с ее магнитной осью. Это создает

«магнитный конус», который ускоряет попавшие в него частицы излучения. Это излучение называется синхротроннымили нетепловым.

Вопрос о статусе пульсаров не является окончательно решенным: это может быть центральное тело взорвавшейся сверхновой звезды или что-то другое. В

1987 г. был открыт очень быстрый пульсар со скоростью вращения до 2000

оборотов в секунду. Среди претендентов на пульсары выдвигаются вращающиеся

не только нейтронные, но и кварковые звезды. Нейтронная звезда — это так-

же состояние, этап в эволюции звезд с определенной массой. Температура

внутри нейтронной звезды достигает порядка 5 млрд К, плотность ее ядра имеет приблизительно 1018 г/см3. Это — некое слоенное образование. Первое объяснение нейтронной звезды принадлежит советскому физику-теоретику, Нобелевскому лауреату, академику АН СССР Л. Ландау. Это объяснение было высказано в 1932 г. и затем развивалось рядом известных физиков и астрономов. Согласно идеи А. Ландау, нейтронная звезда может возникнуть как конечная стадия сверхновой звезды. Нейтронная звезда — это небесное тело, состоящее только из нейтронов, т. е. частиц без электронного заряда. Для образования такого тела необходима стадия образования в ядре железа, которое под действием сил гравитации распадается на протоны и нейтроны, которые затем становятся основным химическим элементом звезды. Существует мнение, что объект, называемый термином «нейтронная звезда», имеет ядро из нейтронной жидкости, окруженное железной корой с температурой от 1 млрд К до 5 млрд К. Достаточно трудно представить физическую природу этого состояния. Предполагается, что нейтронная жидкость должна препятствовать дальнейшему сжатию нейтронной звезды. Нейтронная звезда с примесью кварков называется кварковой звездой.

«Белые карлики»— конечная судьба звезд, равных по массе нашему Солнцу. Образование «белого карлика» происходит поэтапно: «выгорает»полностью водород звезды, затем начинает «гореть» гелий, что приводит к образованию огромной горячей оболочки вокруг звезды, т. е. звезда превращается в «красный гигант», после этой стадии происходит сброс в окружающую среду оболочки

«красного гиганта» и оставшаяся энергия-масса звезды принимает состояние

«белого карлика». Состоянию «белого карлика» может предшествовать, как полагают астрономы, небольшая (на несколько миллионов лет) стадия

«пульсации». «Белый карлик» состоит, главным образом, из устойчивых ядер железа, заключенных в небольшом размере (в 100 раз меньше в поперечнике, чем поперечник звезды, из которой он образовывается), и с реальной высокой плотностью (в 100 млн раз превышает плотность воды).

Наше Солнце превратится в «красный гигант» приблизительно за 5 млрд лет, светимость которого будет в 100 раз больше светимости настоящего Солнца, а размер — в 400 раз больше размера Солнца. Приблизительно через 100 тыс. лет оно сбросит свою оболочку и будет превращаться в «белый карлик».

Существует мнение, что состояние «белый карлик» может рассматриваться и

для звезд с массой от 1,4 до 2,5 масс Солнца. В этом случае из-за огромной массы звезды «белый карлик» может перейти в нейтронную звезду или взорваться, обогатив тем самым окружающую среду тяжелыми химическими элементами.

Гипотезы об образовании «белых карликов» основываются на достаточно точных знаниях энерговыделения при синтезе и делении ядерных процессов.

«Черный карлик»— этим термином называют неудавшиеся звезды. Чтобы загорелась звезда, нужно преодолеть высокий энергетический барьер для возникновения плазмы. Энергия-масса «черных карликов» не позволяет оторвать ядра атомов от их электронов в веществе, из которого состоит «черный карлик».

«Черная дыра».Вычисления показывают, что звезду с массой в 10 раз больше


 

массы Солнца ожидает гравитационный коллапс, так как силы,

противодействующие ее гравитационному сжатию, будут значительно слабее силы притяжения, заставляющей массу звезды концентрироваться с высокой плотностью в объеме с так называемым гравитационным радиусом «черной дыры», который определяется по формуле: rg = 2Gm/c2, где G — гравитационная постоянная, с — скорость света, rg — гравитационный радиус, т — масса звезды.

«Белая дыра»— это конечная стадия «черной дыры», которую ученые объясняют на основе обобщенного принципа термодинамики «черных дыр»: сумма энтропии «черной дыры» и энтропии окружающей ее среды никогда не убывает. Это означает, что некоторые частицы могут покидать ее, и тем самым

«черная дыра» начинает «белеть». По существу, этот принцип говорит о тепловом характере излучений «черной дыры», и, следовательно, это излучение дает информацию о происходящих внутри нее процессах.

Теория «черных и белых дыр» продолжает развиваться. В частности, высказываются взгляды о том, что «белые дыры» — это мощный источник образования энергии-материи для галактик.

«Червоточина».Этим термином называют «черную дыру», вывернутую наизнанку в пространственно-временном смысле, как туннель в другую Вселенную. В настоящее время высказывается мнение о том, что «черные дыры» возникают в системе двойных звезд.

В 1943 г. американский астроном К. Сейферт обнаружил 12 галактик с

активной центральной частью, ядром, генерирующим волны в диапазонах радиоволн (нетеплового) излучения. Это открытие способствовало развитию исследований внутреннего строения галактик, а также физико-химических процессов, происходящих в разных их областях (ближе к центру и на периферии).

Советский астроном И. С. Шкловский (1916—1985) выдвинул интересную гипотезу по поводу галактик К. Сейферта. Ядро галактик К. Сейферта является единым сильно намагниченным образованием, которое он назвал вращающимся плазменным телом, состоящим из нескольких слоев, движущихся с разными скоростями (магнитная энергия движения плазменных слоев превращается в энергию заряженных частиц, которые движутся в направлении вращения слоев плазмы).

Изучение галактик Сейферта на основе более совершенной техники привело к открытию в 60-х годах ХХ в. необычных объектов, получивших название

«квазары»(лат. quasi — якобы), т. е. «будто» звезды.

Квазар— необычные объекты, которые нельзя отнести ни к галактикам, ни к звездам. Сейчас известно около тысячи квазаров. Они расположены почти равномерно по всем направлениям небесной сферы, но расположены на разных расстояниях. Свет от самого близкого квазара идет до нас за 1 млрд лет, от самого далекого — 12 млрд лет. Мощность излучения, идущего от квазара, является переменным и фиксируется в диапазоне рентгеновских волн. Считается, что размеры квазаров невелики, порядка нескольких световых дней, время жизни порядка нескольких миллионов лет. За время своей жизни квазар выделяет огромную энергию (1060эрг).

 

Солнечная система

В начале XXI в. в Солнечной системе обнаружен объект, который астрономы назвали Седной (имя эскимосской богини океа- на). Седна имеет диаметр в 2000 км. Один ее оборот вокруг Солнца составляет … 10 500 земных лет.

Таблица. Данные о планетах Солнечной системы

Планета Средняя температура на поверхности по шкале Цельсия Продолж ительност ь дня и ночи Длительнос ть года Диаметр, км Масса (по отношению к земной принятой за 1) Плотность, г/см3 Состав атмосферы
Меркурий 58,65 дн. 87,96 дн. 0,04 5,42 Н, Не
Венера 243,01 дн. 224,70 дн. 0,81 5,11 СO2, N
Земля 23,93 ч 365,25 дн. 1,00 5,52 N, О, СО2, Ar
Марс -60 24,63 ч 686,68 дн. 0,11 3,95 N, CO2, Ar
Юпитер -150 9,90 ч 11,86 г 316,94 1,33 Η, ΝΗ3, СН4
Сатурн -180 10,67 ч 23,46 г. 94,9 0,69 NH3, CH4
Уран -210 17,90 ч 84,02 г. 14,66 1,56 СН4
Нептун -220 19,2 ч 164,77 г. 17,16 2,27 Η, Не, СН4
Плутон -230 6,39 дн. 247,69 г. 0,7 4,00 CH4, N

 

 

При рассмотрении истинных расстояний планет до Солнца оказывается, что

Плутон в некоторые периоды находится ближе к Солнцу, чем Нептун, и,

следовательно, он меняет свой порядковый номер по правилу Тициуса — Боде.

Загадка планеты Венера.В древних астрономических источниках возрастом в

3,5 тыс. лет (китайские, вавилонские, индийские) нет упоминаний о Венере. Американский ученый И. Великовский в книге «Сталкивающиеся миры», появившейся в 50-х гг. ХХ в., высказал гипотезу о том, что планета Венера заняла свое место всего лишь недавно, в период формирования древних цивилизаций. Приблизительно раз в 52 года Венера подходит близко к Земле, на расстояние 39 млн км. В период великого противостояния, каждые 175 лет, когда все планеты выстраиваются друг за другом в одном направлении, на расстояние 55 млн км Марс приближается к Земле.

Астрономы пользуются сидерическим временем для наблюдения положения звезд и других объектов неба, поскольку они появляются вночном небе в одно и

то же сидерическое время. Солнечное время— время, измеряемое


 

относительно Солнца. Когда Земля де. лает полный оборот вокруг своей оси

относительно Солнца, проходят одни сутки. Если же оборот Земли рассматривать относительно звезд, то за этот оборот Земля сдвинется по своей орбите на 1/365 часть пути вокруг Солнца, т. е. на 3 мин 56 с. Это время называется сидерическим (лат. siederis — звезда).

ВЫВОДЫ

1. Развитие современной астрономии постоянно расширяет знание о строении и объектах доступной для исследования Вселенной. Этим объясняется различие данных о количестве звезд, галактик и других объектах, которые приводятся в литературе.

2. Открыто несколько десятков планет, находящихся в нашей Галактике и вне ее.

3. Открытие Седны в качестве 10-й планеты Солнечной системы существенно изменяет наши представления о размерах Солнечной системы и ее взаимодействии с

другими объектами нашей Галактики.

4. В целом следует сказать, что астрономия лишь со второй половины прошлого века стала изучать самые далекие объекты Вселенной на основе более современных средств

наблюдения и исследования.

5. Современную астрономию интересует объяснение наблюдаемого эффекта движения (дрейфа) значительных масс вещества с большой скоростью относительно

реликтового излучения. Речь идет о так называемой Великой

стене. Это гигантское скопление галактик, находящееся на расстоянии 500 млн световых лет от нашей Галактики. Достаточно популярное изложение подходов к объяснению этого эффекта опубликовано в статьях журнала «В мире науки»1. 6. К сожалению, в изучении космоса снова проявляются военные интересы ряда стран.

Например, космическая программа США.

ВОПРОСЫ ДЛЯ САМОПРОВЕРКИ И СЕМИНАРОВ

1. Формы галактик.

2. От каких факторов зависит судьба звезды?

3. Концепции образования Солнечной системы.

4. Сверхновые звезды и их роль в формировании химического состава межзвездной среды.

5. Отличие планеты от звезды.

1 2004. № 5. С. 33-66.

 

Глава 4.2. БИОСФЕРА, КЛИМАТ И СТРОЕНИЕ ЗЕМЛИ

Основные понятия: внутреннее строение Земли, теория движения литосферных плит,

биосфера и климат Земли

 

Планета Земля -третья планета Солнечной системы

кг. Средняя плотность — 5,5 г/см3. Средний радиус Земли приблизительно равен 6371 км (на экваторе — 6378 км, полярный полюс — 6256 км). Ускорение… Динамика обращения Земли вокруг Солнца, вращения вокруг собственной оси, гравитационное взаимодействие со своим…

Концепции и теории происхождения и эволюции Земли

К концу XVIII в. сформировались две гипотезы, в которых выражалось отношение к библейскому учению о сотворении Богом нашей планеты: нептунисты(Нептун — бог морей в римской мифологии) и плутонисты(Плутон

Теория литосферных плит

Во второй половине прошлого века эта гипотеза стала теорией. Из космоса зафиксировано движение литосферных плит. Сегодня доказано, что земная кора… ская, Южноамериканская, Тихоокеанская, Североамериканская и Евразийская. По разным оценкам, плиты двигаются со скоростью от миллиметра до 10—18 см

Гипотезы образования Земли

— в 4,0—4,4 млрд лет. Представители гомогеннойгипотезы утверждают, что первоначально Земля была… на Земле взялся гелий?

Концепция происхождения Луны

384 400 км, т. е. в 60 раз больше земного радиуса. Радиус Луны 1738 км. Ускорение силы тяжести на поверхности — 1,62 м/с2. Средняя плотность — 3350… но не имеет атмосферы. Как небесное тело, Луна вращается вокруг своей оси и… на Землю, вызывая явление, которое называется прецессией(позднелат. preacessio — движение впереди). Прецессия — это…

Климат Земли

ность факторов (температура, атмосферное давление и другие), от которых зависит, грубо говоря, существования жизни на Земле. Например, на Марсе… Климат Землизависит от множества факторов: от места нахождения Солнечной системы в Галактике, интенсивности солнечного…

Глава 4.3. ЖИВЫЕ СИСТЕМЫ И ИХ ОСОБЕННОСТИ

Основные понятия: уровни организации живого, существенные свойства живых систем, генетика, ген, генетический код, геном человека, клонирование, определения жизни

 

Наукой о живых системах является биология

Исследователи, изучающие отличие живого и неживого, сравнивают живое и неживое по трем основаниям: вещественным, структурно-организационным и… обсуждается. Однако естественными науками такие поля не обнаружены.

В структурно-организационном плане живое существенно отличается от неживых систем.

женность к заболеваниям и генетические болезни организма (определение генетического кода дается ниже). Организмы представляют собой единство… Функция(лат. functio — исполнение) — совокупная деятельность организма, его существование. В функциональном сравнении…

Уровни организационной сложности живых систем

В. И. Вернадский, есть самая мощная геологическая сила биосферы, растущая с ходом времени. Оно не случайно и независимо от нее. Оно есть проявление… Молекулярный.Как бы ни была сложна живая система, организм, он состоит из определенных химических элементов и органических молекул. На этом уровне происходят многообразные биохимические…

Единство химического состава всего живого

1 Цит. по: Баландин Р. Вернадский: жизнь, мысль, бессмертие. М.: Знание, 1979. С. 111. торых состоят все клетки живых организмов, нет химических элементов,

Единство органического строения

Углеводы,входящие в состав живого вещества, выполняют в основном энергетическую функцию. При сжигании углеводов организм получает основную часть… Липиды(жиры) — жироподобные органические соединения. Основные их функции:… Белки.Сходство и различие организмов определяется характерным для них набором белков. Любой вид имеет только ему…

Генетический код

  Рис. 8. Строение ДНК:  

Рис. 9. Строение клетки по данным электронной микроскопии


 

Последовательность и чередование пар связи азотистых оснований в спиралеобразной пространственной структуре ДНК содержит информацию об индивидуальной белковой группе конкретного организма. Если нагреть ДНК до

80—100° С или обработать ее щелочью, то цепи распадаются. Если же ее снова охладить, то цепи снова соединяются водородными связями комплементарным образом: всегда А соединяется симметрично с Т, а Ц — симметрично с Г. Это свойство ДНК используется для создания методов исследования ее структуры. ДНК имеет внутренний механизм

изменения собственной спиралеобразной пространственной структуры. Перед

делением клетки она способна удваиваться (реплицироваться).С помощью фермента ДНК полимеразы разрываются слабые водородные связи между двумя

ее цепями, а затем к каждой отделенной цепи достраивается ей комплементарная цепь. Таким образом, из двух отдельных цепей образуются две ДНК. Репликация

— одно из уникальных явлений в мире живого. С ее помощью обеспечивается высочайшая точность воспроизведения генетической информации в поколениях клеток и организмах в целом. Но возможны ошибки при репликации, о чем речь пойдет ниже. Репликация(лат. replication — повторение) — процесс самовоспроизведения молекул нуклеиновых кислот, обеспечивающий передачу

по наследству точных копий генетической информации.

Репликация ДНК происходит поэтапно, отдельными участками, которые называют репликонами.Средний их размер составляет почти 30 мкм.

Скорость синтеза при репликации — около 0,5 мкм/мин. Такой способ репликации значительно короче, чем непрерывный по всей длине ДНК. Например, репликация в самой большой хромосоме ДНК человека под номером 1 заняла бы около трех месяцев против семи часов, как это происходит на самом деле. Важнейшую роль в точной передачи информации, необходимой для синтеза набора белков конкретного организма, играет РНК.РНК — это одноцепочечный полимер из нуклеотидов. В него вместо сахара дезоксирибозы входит сахар рибоза, а вместо азотистого основания тимина (Т) входит азотистое основание урацил (У). Полимер РНК в сто раз меньше, чем ДНК.

В зависимости от функций, выполняемых этим полимером, выделяют несколько видов РНК: информационная (и-РНК) или матричная (м-РНК).Она


 

переносит информацию о структуре белка от ДНК к рибосомам клетки. На долю

этого вида РНК приходится 1—2% от общего содержания РНК в клетке. Транспортная(т-РНК) доставляет свободные аминокислоты в рибосому (10% от общего содержания РНК в клетке).

Рибосомная(р-РНК) — основная часть рибосомы (около 90% от всего РНК клетки). Рибосома— органелла клетки, состоящая из белка и р-РНК. В рибосоме осуществляется синтез белка в клетке. Органелла— клеточный орган. У человека известно более 10 органелл клетки.

 

Клеточное строение

он заметил в этом составе множество мелких образований, похожих по форме на ячейки пчелиных сот. По существу, Р. Гук видел лишь оболочки клеток. Говоря, что все живое состоит из клеток, следует иметь в виду определенное… Впервые клеточная теория появилась в 1838—1839 гг. Создателями этой теории являются немецкие ученые: ботаник М.…

Клетка

Клетка— сложное, целостное системное образование, элементы которого находятся в тесном взаимодействии. Из клеток состоят ткани и органы организмов. Половые клетки составляют эмбриональную основу многоклеточного организма, например человека. Клетка, составляющая основу одноклеточного организма, хотя и имеет функциональные биохимические и структурные сходства

с отдельной клеткой обычного многоклеточного организма, тем не менее жизнь простейшего одноклеточного организма является богаче и разнообразнее. Все

Клетки живых организмов подразделяются на два вида с учетом их строения

и функций в живых организмах: прокариоты(лат. pro — перед и греч. karyon

— ядро), или предъядерные клетки, и эукариоты(греч. еу — полностью, хорошо

и karyon — ядро).

Простейшие организмы, представленные одной или небольшим числом клеток, состоят из клеток прокариотов. Это прежде всего бактерии и некоторые водоросли. В клетках прокариотов нет ядра и ядерной оболочки. В них содержится одна молекула ДНК, замкнутая в кольцо, и цепь ДНК раскручена. Большинство клеток прокариотов имеют размер около 1 —5 мкм. Средний размер эукариотической клетки имеет диаметр около 25 мкм (1 мм—103 мкм или 109 нм). Таким образом, в эукариотическую клетку может поместиться более 10 тысяч бактерий. Все эукариотические клетки имеют одинаковое строение: ядро с оболочкой, цитоплазма с органоидами и оболочка. Ядроэукариотической клетки состоит из хроматина, ядрышка, ядерного сока и ядерной оболочки. Цитоплазма— полужидкая, бесцветная масса сложного строения. Она обеспечивает взаимодействие всех органов клетки. В клетке содержатся хромосомы.

Термин «хроматин» (греч. chroma — цвет, окраска) появился, когда пользовались исключительно световыми микроскопами. Хроматин — это интенсивно окрашенные глыбки, гранулы и сетевидные элементы структуры ядра. Иначе говоря, это видимый в световой микроскоп один из элементов ядра, который представляет собой часть ДНК и белок. В делящихся эукариотических клетках ДНК приобретает форму хромосом: ДНК сильно скручивается, уплотняется и упаковывается с помощью белков — гистонов в определенную форму хромосом. Изображение хромосом человека приведено на рис. 10.

Хромосомы

в нем образуются субчастицы рибосом для синтеза белка. Ядрышко во время деления клетки исчезает. Ядерный сок содержит белки,.различные РНК, …   свободные нуклеотиды, аминокислоты, субчастицы рибосом и промежуточные

Рис. 10. Идеограмма хромосом мужчины и женщины

 

Вверху хромосомы клетки женщины ( ) и клетки мужчины . Внизу идеограмма

(греч. idos — своеобразный, grame — запись) — упорядоченное расположение хромосом

по величине и другим признакам. Сравнительный анализ содержания хромосом разных организмов основывается на обозначении последовательностей нуклеотидов цветами и номерами

 

Правила хромосом

2. Правило парности хромосом — каждая хромосома в соматических клетках (см. ниже деление клеток) имеет такую же идентичную по размерам, форме, но не… 3. Правило индивидуальности хромосом — каждая пара хромосом отличается

Существенные свойства деления клеток организмов

тоз. Этот механизм деления назвали мейозом(греч. meiosis — уменьшение). А. Вейсману принадлежит идея о том, что наследственная информация заключена в… Амитоз,или прямое деление клетки, связан с перетяжкой ядра клетки. Могут

Мейоз

Мейоз— клеточное деление, которое ведет к образованию и созреванию половых клеток (например, у человека — яйцеклеток и сперматозоидов из особых соматических клеток яичников и семенников). Мейоз приводит к уменьшению числа хромосом исходной материнской клетки вдвое. Мейоз состоит из двух последовательных делений и соответствующих фаз. При делении соматической клетки в ней образуются два противоположных центра, к каждому из них стягиваются, например у человека, 23 пары хромосом двух будущих клеток. В случае деления половых клеток к каждому из этих центров отводится только 23 хромосомы, т. е. наполовину меньше, чем в случае соматических клеток. Распределение отходящих к центрам хромосом — каких больше от отца или

каких от матери и в какой последовательности, а также комбинации —

происходит, как полагают сегодня генетики, случайным образом: количество вариантов возможного попадания каждой хромосомы к соответствующему центру при делении половых клеток человека равно более 8 млн (223). Биологическое значение мейоза:

1. Обеспечивает постоянство видов на Земле. Если бы число хромосом, передаваемых от одного поколения в другому, не уменьшалось бы вдвое, то в каждом последующем поколении число хромосом бы удваивалось (у человека- родителя — 46 хромосом, следующее поколение (дети) — 92, внуки — 184 и т. д.).

2. Мейоз обеспечивает разнородность гамет (греч. gamete — жена, gametes — муж) по генному составу. Гаметы— половые клетки (мужские гаметы — сперматозоиды, женские гаметы — яйцеклетки). Гонады(греч. gone —


порождающее) — половые органы, образующие половые клетки.


3. Мейоз обусловливает комбинативную изменчивость, т. е. каждая гамета (мужская или женская) получает в результате мейоза всего лишь один набор хромосом из двойного набора хромосом своих материнских клеток. Случайная встреча гамет (сперматозоиды и яйцеклетки) приводит к тому, что гены родителей комбинируются, вследствие чего у детей могут появляться признаки, которых не было у родителей. Как уже отмечалось выше, все хромосомы подразделяются на аутосомы и половые хромосомы. Аутосомы— все хромосомы

в клетках, за исключением половых хромосом. Половые хромосомы —

хромосомы, определяющие пол организма при половом размножении. У женщин

22 пары аутосом и две одинаковые половые хромосомы ХХ, у мужчин — 22 пары аутосом и две неодинаковые половые хромосомы XY.

Мейоз как процесс деления клеток приводит к тому, что каждая из пары одинаковых хромосом (но неодинаковых по происхождению) попадает в разные гаметы. Мейоз обеспечивает процесс, в результате которого во все гаметы женщин попадают 22 аутосомы и одна Х-хромосома (гаметы одинаковы). Женский пол является гомогаметным. У мужчин мейоз приводит к образованию двух типов гамет: 22 + X, 22 + Y. Развитие женских гамет (яйцеклеток) называется овогенезом. Зрелая яйцеклетка называется овоцитом и содержит только один набор аутосом из пар гомологичных аутосом и одну половую хромосому X. Овоцит— содержит большой запас питательных, энергетических веществ и по своим размерам

превосходит сперматозоид в 85 тыс. раз. Зигота — оплодотворенный овоцит,

содержащий двойной набор аутосом и половых хромосом (один набор — от отца, другой — от матери). При содержании в зиготе половых хромосом XY рождается мальчик, при ХХ — девочка. К моменту полового созревания женщины обнаруживается около 100 тыс. овоцитов, однако за весь репродуктивный период

в яичниках женщины образуется около 300—400 овоцитов. Процесс образования сперматозоидов (мужских гамет) называется сперматогенезом, он имеет отличие

от овогенеза: при сперматогенезе из одной исходной клетки образуются 4 сперматозоида, а при овогенезе из одной исходной клетки образуется 1 яйцеклетка и 2 направленных тельца, в которые уходит избыток хромосомного материала, чтобы набор хромосом в яйцеклетке был гаплоидным (одинарным).

В течение всей половой жизни здоровый мужчина продуцирует (его гонады) около 500 млрд сперматозоидов. Три типа деления клеток, о которых говорилось выше, обеспечивают жизненный цикл клеток в живых организмах. Принцип

«клетка от клетки» позволил проследить эволюцию живого на Земле.

 

Генетика и геном человека

Большую роль в развитии генетики сыграли клинические исследования наследственных болезней. В 1814 г. в Лондоне врач Адамс опубликовал работу под… В 1869 г. английский исследователь Ф. Гальтон (1822—1911) сформулировал…  

Клонирование

мутантный ген и клонирование. Генная инженерия— технология или совокупность методов для целенаправленного… Мутантный ген— ген, в котором произошли перестройки или нарушения порядка расположения нуклеотидов. Различают…

Определение жизни

  машины, создаваемыегенами. И в то же самое время, немного дальше по тексту, … этот автор правильно подчеркивает, что человек является единственным живым существом, на которое преобладающее влияние…

Глава 4.4. ОСНОВНЫЕ КОНЦЕПЦИИ ПРОИСХОЖДЕНИЯ ЖИЗНИ И ЧЕЛОВЕКА

Основные понятия: происхождение жизни, дарвинизм, неодарвинизм, антропогенез

 

Концепции происхождения жизни

А — концепция самопроизвольного зарождения жизни на Земле. Б — панспермия (от греч. pan — все, sperma — семя) — жизнь занесена на нашу… В — концепция стационарного состояния (жизнь всегда существовала на

Концепции биологической эволюции

необратимое во времени всеобщее постепенное, упорядоченное и последовательное развитие живого от его возникновения до состояния в будущем. Правда, содержание таких терминов, как «необратимое во времени», «последовательное и постепенное развитие», «упорядоченное развитие», остро дискутируется современными учеными.

Антропогенез

на христианстве, человек рассматривается как созданное Богом разумное существо. Проблема естественного происхождения человека была поставлена как…   человека и обезьяну на основании их сходства в один род (род биологический

Дриопитек — провал — древние люди — новые люди.

В 1881 г. голландский врач и анатом Э. Дюбуа (1858—1940) обнаружил хорошо сохранившиеся останки существа, которого имел в виду Э. Геккель (черепная… В дальнейшем были найдены останки синантропа (китайского человека). Останки… в других местах, кроме Америки и Австралии. Найденный на Яве питекантроп имел объем мозга 900 см3, рост 170 см. Он…

Глава 4.5. ЧЕЛОВЕК, ЕГО БУДУЩЕЕ В СВЕТЕ ДОСТИЖЕНИЙ СОВРЕМЕННОГО ЕСТЕСТВОЗНАНИЯ

Основные понятия: нанотехнология, исследование человеческого мозга, гипотезы здоровья человека, биоэтика, правовые вопросы развития современного естествознания

 

О прогнозах развития естествознания

2) создание новых теорий и экспериментальных методов изучения сложных саморазвивающихся систем; 3) ориентация всей науки на решение глобальных,… Достижения естествознания прошлого века качественно изменили производительные…  

Нанотехнология

в их расположении относительно друг друга. Нанотехнология — это технология XXI в. Специалисты уже сегодня говорят о прямо-таки фантастических… «неполадок» в организме человека. Создание на молекулярном уровне систем «органическое — неорганическое» (микросхемы), способных, например, улучшать и усиливать функции работы органов чувств…

Исследование человеческого мозга

на Земле. Идея этой концепции принадлежит американцу Д. Дану (1813—1895), высказавшему ее в конце XIX в. Однако развитие этой идеи связано с учением… И. Вернадского о биосфере. Он писал, что в течение всего эволюционного процесса, начиная с кембрия, т. е. в течение…

Генетика

и опасения этического, правового и научного характера. Генетики говорят о возможности биологического ремонта человека. Некоторые из них обещают… Предполагается, что в первом десятилетии нового века будет известно, как работает каждый ген генома человека, т. е. за…

Долголетие

Известный русский ученый И. Мечников был одним из первых среди исследователей проблемы долголетия и смерти человека. Существует ряд концепций смерти: генетическая,утверждается генетическая… Само понятие смертиявляется с естественно-научной точки зрения сложным фактом. В самом общем случае под…

Биоэтика

до лучших времен. Доктор Дж. Кеворкян (США) — активный сторонник эвтаназии(при буквальном…  

Энергетика

же на добычу на более глубоких уровнях требует создания новой глубоководной техники. Надо отметить, что глубинный океан изучен достаточно слабо,… Наряду с идеей традиционной энергетики существуют направления, которые… Большие надежды связывают ученые с созданием термоядерных реакторов для решения энергетических проблем человечества в…

Направления изучения происхождения жизни

то обнаружили существование слепых живых организмов типа жучков, которые питаются микроорганизмами. Эти микроорганизмы используют для своего…  

Правовые аспекты развития естествознания в XXI в.

Например, уже сегодня заметны успехи сенситивной метрологии, изучающей центры удовольствий человека и способы на них воздействия в выбранном… на принятие самостоятельных решений. Эта проблема является актуальной для современного правоведения. Другой пример…

ЛИТЕРАТУРА

Горелов А. А. Концепции современного естествознания: курс лекций. М.:

Центр, 1998.

Дубнищева Т. Я. Концепции современного естествознания: учеб. М.: ЮКЭЯ,

2000.

Канке В. А. Концепции современного естествознания: учеб. М: Логос, 2001.

Карпенков С. X. Основные концепции современного естествознания: учеб.

пособие. М: ЮНИТИ, 1997.

Концепции современного естествознания: учеб. / под ред. профессоров В. Н.

Лавриненко, В. П. Ратникова. М, 2001.

Концепции современного естествознания: 100 экзаменационных ответов / под общей ред. С. И. Смагина. Ростов-на-Дону: МарТ, 2002.

Найдыш В. Н. Концепции современного естествознания: учеб. пособие. М.:

Гардарики, 2003.

Всеобщая декларация «О геноме человека и правах человека». Юнеско, 1997.

Исаев П. С. Обыкновенные, странные, очарованные, прекрасные... М.:

Энергоатомиздат, 1995.

Капица С. П., Курдюмов С. П., Малинецкий Г. Г. Синергетика и прогнозы будущего. 2-е изд. М.: Эдиториал УРСС, 2001.

Короновский Н. Наша планета Земля. М.: ВЕСЬ МИР, 2002.

Тарантул В. 3. Геном человека: Энциклопедия, написанная четырьмя буквами.

М.: Языки славянской литературы, 2003.


 

 


 

 

Введение................................. 3

Раздел1


СОДЕРЖАНИЕ


НАУКА КАК СФЕРА ЧЕЛОВЕЧЕСКОЙ ДЕЯТЕЛЬНОСТИ

И ЕЕ ОСОБЕННОСТИ

Глава 1.1. НАУКА И ЕЕ РОЛЬ В ОБЩЕСТВЕ

1.1.1. Наука — это сфера человеческой деятельности, направленная на создание, производство объективных знаний о самом человеке и окружающем его мире (природа, Вселенная в целом) ........................ 5

1.1.2. Главные черты научных знаний.............. 8

1.1.3. Роль науки в обществе.................... 10

1.1.4. Дискуссия о роли науки в развитии культуры...... 11

Выводы................................. 12

Вопросы для самопроверки и семинаров............... 12

Глава 1.2. КЛАССИФИКАЦИЯ НАУК

1.2.1. Критерии классификации наук............... 13

1.2.2. Классификация наук по предмету исследования .... 13

1.2.3. Теоретические и эмпирические науки........... 15

1.2.4. Фундаментальные и прикладные науки.......... 16

Выводы.................................. 18

Вопросы для самопроверки и семинаров............... 18

Глава 1.3. ОСНОВНЫЕ ИСТОРИЧЕСКИЕ ЭТАПЫ РАЗВИТИЯ ЕСТЕСТВОЗНАНИЯ

1.3.1. Классическая, неклассическая и постнеклассическая наука.............................. 19

1.3.2. Понятие естественно-научной картины мира....... 20

1.3.3. Античная наука........................ 20

1.3.4. Развитие науки в период Средневековья (V—XIV вв. н. э.) 26

1.3.5. Возрождение ......................... 29

1.3.6. Новое время — эпоха создания естествознания

(XVII - XVIII вв. н. э.)................... 30

1.3.7. Развитие естествознания и науки в России........ 33

Выводы................................. 37

Вопросы для самопроверки и семинаров............... 38

Раздел 2 КОНЦЕПЦИИ КЛАССИЧЕСКОЙ НАУКИ

Глава 2.1. МЕХАНИЧЕСКАЯ ФИЗИЧЕСКАЯ КАРТИНА МИРА

2.1.1. Понятие детерминизма .................... 39

2.1.2. Физика и классическая механика............. 40

2.1.3. Механика Галилея ...................... 42

2.1.4. Физическая теория И. Ньютона.............. 45

2.1.5. Содержательные допущения и следствия механики Галилея —

Ньютона........................ 47

2.1.6. Механическая картина мира................ 50

Выводы................................. 51

Вопросы для самопроверки и семинаров............... 52

Глава 2.2. ЭЛЕКТРОМАГНИТНАЯ КАРТИНА МИРА

2.2.1. Классическая электродинамика.............. 53

2.2.2. Кратко об истории изучения магнетизма......... 53

2.2.3. Исследование электрической силы............ 57

2.2.4. Понятие физического поля................. 59

2.2.5. Теория электромагнитных сил Д. Максвелла ...... 60

2.2.6. Электромагнитная картина мира.............. 61

Выводы................................. 63

Вопросы для самопроверки и семинаров............... 64

Глава 2.3. КЛАССИЧЕСКИЕ КОНЦЕПЦИИ ЭНЕРГИИ И ВРЕМЕНИ

2.3.1. Классическая термодинамика............... 65

2.3.2. Энергия ............................ 66

2.3.3. Законы классической термодинамики .......... 70

2.3.4. Энтропия............................ 72

2.3.5. Основные следствия термодинамики XIX в........ 74

2.3.6. «Тепловая смерть» Вселенной ............... 75


Выводы................................. 77

Вопросы для самопроверки и семинаров............... 77

Раздел 3 КОНЦЕПЦИИ НЕКЛАССИЧЕСКОЙ НАУКИ Глава 3.1. ТЕОРИЯ ОТНОСИТЕЛЬНОСТИ

3.1.1. Альберт Эйнштейн...................... 78

3.1.2. Опыт Морли — Майкельсона................ 79

3.1.3. Преобразования Лоренца.................. 80

3.1.4. Специальная теория относительности (СТО)...... 83

3.1.5. Релятивистская механика.................. 84

3.1.6. Математическая теория пространства........... 85

3.1.7. Геометрия Б. Римана..................... 90

3.1.8. ОТО основывается на двух принципах или постулатах . 92

3.1.9. Следствия ОТО........................ 94

Выводы................................. 95

Вопросы для самопроверки и семинаров............... 96


Глава 3.2. СОВРЕМЕННОЕ ЕСТЕСТВОЗНАНИЕ О ФИЗИЧЕСКОЙ РЕАЛЬНОСТИ И СИЛАХ ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ В ПРИРОДЕ

3.2.1. Сегодня известно пять сил физического взаимодействия 97

3.2.2. Гипотеза М. Планка .....................104

3.2.3. Квантовая механика.....................108

3.2.4. Современная квантовая теория ..............111

3.2.5. Открытие протона и нейтрона привело к созданию протонно-нейтронной модели атома...........114

3.2.6. Что объяснила протонно-нейтронная модель атома ..117

3.2.7. Модели объяснения сил физического взаимодействия

в атоме.............................119

Выводы.................................127

Вопросы для самопроверки и семинаров...............127

Глава 3.3. СОВРЕМЕННЫЕ КОНЦЕПЦИИ ПРОИСХОЖДЕНИЯ ВСЕЛЕННОЙ

3.3.1. Модели и концепции происхождения Вселенной .... 128

3.3.2. Нерелятивистские модели эволюции Вселенной классической науки..........................130

3.3.3. Релятивистские модели Вселенной............137

3.3.4. Модель «Самосогласованной космологии» постнеклассической науки.................147

Выводы .................................149

Вопросы для самопроверки и семинаров...............150

Раздел 4 ПРОБЛЕМЫ И КОНЦЕПЦИИ ПОСТНЕКЛАССИЧЕСКОЙ НАУКИ Глава 4.1. СОВРЕМЕННАЯ АСТРОНОМИЯ ОБ ОБЪЕКТАХ ВСЕЛЕННОЙ

4.1.1. Галактика Млечный Путь.......... .......153

4.1.2. Звезды .............................157

4.1.3. Солнечная система......................163

Выводы.................................172

Вопросы для самопроверки и семинаров...............173

Глава 4.2. БИОСФЕРА, КЛИМАТ И СТРОЕНИЕ ЗЕМЛИ

4.2.1. Планета Земля — третья планета Солнечной системы . 174

4.2.2. Концепции и теории происхождения и эволюции Земли 181

4.2.3. Теория литосферных плит.................. 185

4.2.4. Гипотезы образования Земли................ 187

4.2.5. Концепция происхождения Луны............. 188

4.2.6. Климат Земли......................... 189

Выводы................................. 191

Вопросы для самопроверки и семинаров............... 191

Глава 4.3. ЖИВЫЕ СИСТЕМЫ И ИХ ОСОБЕННОСТИ

4.3.1. Наукой о живых системах является биология......192


4.3.2. Уровни организационной сложности живых систем . . 193

4.3.3. Единство химического состава всего живого.......194

4.3.4. Единство органического строения.............196

4.3.5. Клеточное строение.....................204

4.3.6. Существенные свойства деления клеток организмов . . 207

4.3.7. Генетика и геном человека .................210

4.3.8. Клонирование.........................216

4.3.9. Определение жизни .....................220

Выводы.................................221

Вопросы для самопроверки и семинаров...............221

Глава 4.4. ОСНОВНЫЕ КОНЦЕПЦИИ ПРОИСХОЖДЕНИЯ ЖИЗНИ

И ЧЕЛОВЕКА

4.4.1. Концепции происхождения жизни ............222

4.4.2. Концепции биологической эволюции ..........232

4.4.3. Антропогенез.........................237

Выводы.................................243

Вопросы для самопроверки и семинаров...............243


Глава 4.5. ЧЕЛОВЕК, ЕГО БУДУЩЕЕ В СВЕТЕ ДОСТИЖЕНИЙ СОВРЕМЕННОГО ЕСТЕСТВОЗНАНИЯ

4.5.1. О прогнозах развития естествознания...........244

4.5.2. Нанотехнология........................246

4.5.3. Исследование человеческого мозга............247

4.5.4. Генетика............................ 249

4.5.5. Долголетие........................... 251

4.5.6. Биоэтика............................ 252

4.5.7. Энергетика........................... 253

4.5.8. Направления изучения происхождения жизни ..... 254

4.5.9. Правовые аспекты развития естествознания в XXI в. . . 254

Выводы................................. 255

Вопросы для самопроверки и семинаров............... 256

Литература.............................. 257

Сканирование и форматирование: Янко Слава (Библиотека Fort/Da) || slavaaa@yandex.ru || yanko_slava@yahoo.com || http://yanko.lib.ru || Icq# 75088656 || Библиотека: http://yanko.lib.ru/gum.html || Номера страниц - внизу

update16.11.06

– Конец работы –

Используемые теги: концепции, современного, естествознания, учебник0.064

Если Вам нужно дополнительный материал на эту тему, или Вы не нашли то, что искали, рекомендуем воспользоваться поиском по нашей базе работ: КОНЦЕПЦИИ СОВРЕМЕННОГО ЕСТЕСТВОЗНАНИЯ УЧЕБНИК

Что будем делать с полученным материалом:

Если этот материал оказался полезным для Вас, Вы можете сохранить его на свою страничку в социальных сетях:

Еще рефераты, курсовые, дипломные работы на эту тему:

По дисциплине Концепции современного естествознания Естествознание в системе науки и культуры
Факультет иностранных языков... Содержание лекций... по дисциплине Концепции современного естествознания...

"Исторический анализ систем "карандаш", "общество", "договор" в свете четырех основных концепций: концепции системного подхода, концепции самоорганизации объекта, концепции неопределенности (дуализма), концепции ноосферн
Так как грифель находится внутри основы, то для дальнейшего выполнения функции письма происходит воздействие на основу - процесс подтачивания, т.е.… В объекте «карандаш» существует одна связь между элементами системы… При этом каждое положительное действие со стороны основы сопровождается вредным действием со стороны грифеля, т.е.…

Концепции современного естествознания
А А Горелов... Концепции современного естествознания...

Концепции Современного Естествознания
Е Ф Солопов Концепции Современного...

Концепции современного естествознания
Постепенно накапливавшиеся астрономические наблюдения подтачивали основы этой картины. Несовершенство, сложность и запутанность птолемеевской системы становились… В геоцентрических системах движение планет представлялось с помощью нескольких равноправных независимых математических…

С. П. Филин Концепции современного естествознания
С П Филин... Концепции современного естествознания...

Концепция современного естествознания
Как зависит точка кипения от внешнего давления? Какое значение в природе имеют процессы сублимации и десублимации? Приведите примеры. 7. Поясните… Почему разные популяции одного вида отличаются по частоте генов? 23 9. Как… Но есть такие признаки, которые, особенно характерны для живых систем и тем не менее нечасто фигурируют в их самых…

КОНЦЕПЦИИ СОВРЕМЕННОГО ЕСТЕСТВОЗНАНИЯ
На сайте allrefs.net читайте: "КОНЦЕПЦИИ СОВРЕМЕННОГО ЕСТЕСТВОЗНАНИЯ"

Концепция современного естествознания
Но нужно помнить, что наша интуиция основана на опыте поведения обычных предметов соизмеримых с нами масштабов, а квантовая механика описывает вещи,… Чтобы отыскать, например, эту книгу, вы, войдя в комнату, окидываете ее… Ключ к измерению здесь — взаимодействие между светом и книгой. Так и при любом измерении, представьте себе,…

Концепции современного естествознания
Концепция системного метода. Максимально свернутая система Аспект организации Система.Корпус Фиксатор Крепление Пласт. с яч. Гиб. Мех. Пласт. Корпус… Аспект связи 1- человек 2- вода 3- кислород и прочие элементы входящие в… Помимо главной функции, существуют еще несколько придаточных.

0.033
Хотите получать на электронную почту самые свежие новости?
Education Insider Sample
Подпишитесь на Нашу рассылку
Наша политика приватности обеспечивает 100% безопасность и анонимность Ваших E-Mail
Реклама
Соответствующий теме материал
  • Похожее
  • По категориям
  • По работам
  • Концепции современного естествознания В естествознании изучение жизни как целостного феномена в его тесной связи с окружающей природой получило название учения о биосфере. Биосфера.… Два главных компонента биосферы - живые организмы и среда их обитания -… Минеральных же видов неживой материи (так называемое “косное вещество”) насчитывается лишь около 10 тыс. Видов.…
  • Концепции современного естествознания Небольшие галактики часто являются спутниками больших галактик.Невооруженным глазом можно увидеть ближайшие к галактики — Магеллановы Облака (в… Классификация галактик в каталогах — М с номером. Так, М31 — туманность… Оказалось, что некоторые галактики отличаются мощным радиоизлучением, которое больше оптического.Их назвали…
  • Современные концепции естествознания. Способы описаниядвижения. Взаимодействия. Законы сохранения и их связь с симметрией систем.Строение солнечной системы. Статистическое описание равновесных…
  • Концепции современного естествознания Москва, «Просвещение», 1997г. 11. «Концепция современного естествознания» под ред. проф. Самыгина Ростов-на-Дону, «Феникс», 1997г. 12. Фролов… Естествознание как наука изучает все процессы и явления, происходившие и… Это раздел науки, основанный на воспроизводимой эмпирической проверке (проверке на практике) гипотез и создание…
  • КОНЦЕПЦИИ СОВРЕМЕННОГО ЕСТЕСТВОЗНАНИЯ Российский государственный профессионально педагогический университет... Уральское отделение Российской академии образования... Академия профессионального образования...