1. НАУКА КАК ФЕНОМЕН ПОЗНАНИЯ Наука (от греч. episneme - «знание», лат. scientia - «знание») - сфера деятельности, направленная на добывание и осмысление знания. Особенность научных знаний заключается в глубоком проникновении в суть явлений, в их теоретическом характере. Научное знание начинается тогда, когда за совокупностью фактов осознается закономерность - общая и необходимая связь между ними, что позволяет объяснить, почему данное явление протекает так, а не иначе, предсказать дальнейшее его развитие. Непосредственные цели науки - описание, объяснение и предсказание процессов и явлений действительности, т. е. в широком смысле ее теоретическое отражение. Язык науки существенно отличается от языка других форм культуры, искусства большей четкостью и строгостью. Наука - это мышление в понятиях. Центральное место в науке занимает критерий рационального освоения мира. Наука имеет своим результатом целенаправленно отобранные и систематизированные факты, логически выверенные гипотезы, обобщающие теории, фундаментальные и частные законы, а также методы исследования. Научное познание основывается на целом ряде принципов. Обычно выделяются следующие принципы, лежащие в основе научного понимания реальности. Первый - это принцип объективности, означающий признание факта существования независимого от человека и его сознания внешнего мира и возможности его познания. Второй принцип - принцип причинности, или, говоря строго научно, принцип детерминизма, означает утверждение о том, что все события в мире связаны между собой причинной связью. Беспричинных явлений не бывает, равно как не бывает событий, не влекущих за собой каких-либо следствий. Следующий важный принцип - это принцип рациональности, аргументированности, доказательности научных положений. Любое научное утверждение имеет смысл и принимается научным сообществом лишь тогда, когда оно доказано. Важную роль в научном познании играет принцип системности. В его рамках любое явление понимается как элемент сложной системы. Причем эта связь такова, что система в целом не является арифметической суммой своих элементов. Система представляет собой более сложное и существенное явление. Наука исходит из того, что в ней не может быть абсолютных истин. Несоответствие ранее утвержденных истин реальному положению дел преодолевается благодаря принципу критичности, лежащему в основании научного знания. Объективное знание является условием человеческой свободы, оно освобождает человека от той ограниченности, которая обусловлена принадлежностью человека к роду, исторической эпохе, конкретной культуре, языку, жизненному личному опыту. Вместе с тем достоинство и значимость науки для человечества могут оборачиваться и недостатками. Сегодня идея неограниченной свободы исследований, которая была, безусловно, прогрессивной, уже не может приниматься безоговорочно, без учета социальной ответственности. Наука не всегда осознает собственную ограниченность в качестве средства постижения мира. Свободная безответственность при нынешних возможностях науки может быть чревата тяжелыми последствиями для человека и человечества. Осмысление специфики научного знания по-прежнему остается актуальной задачей.
2. НАУКА И РЕЛИГИЯ Наука и религия представляют собой фундаментальные области культуры, типы мировоззрений, взаимодействующих друг с другом. Понимание соотношения науки и религии в течение долгого времени сводилось к тому, что они трактовались как диаметрально противоположные, взаимоотрицающие явления. Проблема соотношения веры и знания решалась в рамках оценки религии как низшего вида знания, которое с развитием науки обречено на исчезновение. Но на самом деле отношения между научным и религиозным типом миропонимания гораздо сложнее. Религия и научное знание стали рассматриваться как различные и правомерные формы духовной активности человека. Фундаментальные познавательные установки научного и религиозного способа миропонимания пересекаются друг с другом. Наука не представляет собой абсолютно объективизированное знание. Человечеству, несмотря на научный прогресс, не дается и ныне восприятие целостности мироздания. В науке существуют структуры, которые выводят знания, принимаемые на веру в качестве аксиом тех или иных научных теорий. Религиозные системы - это тоже не только своды положений, апеллирующих к вере, но и некоторые обобщения, опирающиеся на аргументацию и доказательность. Религиозное мировосприятие имеет свой высший уровень - теологию, где под установки вероисповедания подводится базис рационального обоснования и доказательства. Но между наукой и религией есть различия. Наука не исходит из абсолютных истин, науке свойствен критический взгляд на то, что происходит в ее поле. Давление новых доказательств может привести к пересмотру прежних положений. Источником религиозности является не объективная реальность, а сверхналичное откровение, знание, данное человеку свыше (от Бога). Откровение не подвергается критической рефлексии, оно является высшей, абсолютной информацией, которую ограниченный разум человека в его конечном бытии не может представить во всей полноте. Религия восходит к смыслу человеческого существования, отвечает на предельные вопросы, связанные с абсолютными идеалами. Наука тоже сталкивается с проблемой абсолютов, но они уходят в бесконечность, которой нет конца и границ, раздвижение пределов познания не уменьшает мир непознанного, это стимулирует дальнейшее освоение реальности. В религии абсолют выступает миром должного, идеального, задающего бытию человека смыслообразую-щие компоненты. Наука изучает сущее, религия - мир должного. И наука, и религия отвечают на важные вопросы человеческой жизни, но религия дает ответы и на те вопросы, на которые пока не дает ответ наука. Наука и религия не противоположны, они действуют по принципу дополнительности формально-рационально-познавательного и инстинктивно-этического способов освоения мира. И пока есть пределы научного познания, будет место религиозному мировосприятию, исходящему из целостности и всеохватности мира. Научное развитие разрушает традиционные установления, но открывает новые возможности, в том числе и для религии. Наука не вытеснила религию. Раздвинув границу познания, наука столкнулась с еще большими глубинами непознанного и остающегося для человеческого разума «тайной», что создает поле для религиозного мироощущения.
3. ЕСТЕСТВЕННЫЕ И ГУМАНИТАРНЫЕ НАУКИ Качественное многообразие действительности и общественной практики определило многоплановый характер человеческого мышления, разные области познания. Современная наука - чрезвычайно разветвленная совокупность отдельных научных отраслей. Она включает около 15 тысяч дисциплин, которые все теснее взаимодействуют друг с другом. Наука изучает сегодня все, включая даже саму себя, - то, как она возникла, развивалась, как взаимодействовала с другими формами культуры, какое влияние оказывала на материальную и духовную жизнь общества. По мнению исследователей, наука как серьезное аналитическое явление еще молода. Ею не постигнуты все тайны мироздания. В сознании современных ученых имеется ясное представление об огромных возможностях дальнейшего развития науки, радикального изменения на основе ее достижений наших представлений о мире и его преобразовании. По своему предмету науки делятся на естественно-технические, изучающие законы природы и способы ее освоения и преобразования, и гуманитарные, изучающие человека и законы его развития. Естественные науки рассматривают мир как объективно существующий, изучают структуру этого мира, природу его элементов. Естествознание апеллирует к опыту как основанию знания и критерию истины. Гуманитарные науки изучают мир, прежде всего сотворенный человеком со стороны его духовного содержания и культурной ценности. Гуманитарные науки опираются более всего на значимость и смысл вещей. Гуманитарные науки имеют дело со знаковыми системами и их отношением к человеческой действительности. Естественные и гуманитарные науки различаются по функциям. Естественные науки занимаются описанием, объяснением и предсказанием явлений и свойств материального мира. Специфической функцией гуманитарных наук является понимание, которое заключается в раскрытии и истолковании смысла произведения. Существуют две трактовки понимания. Одна из них является психологической и утверждает, что процесс понимания есть акт вживания в замысел, мотивы и цели «автора» того или иного произведения. Например, если в качестве произведения берется какое-либо историческое событие, то его понимание достигается на пути раскрытия социально-экономических, политических, культурных и других условий, а также личност-но-психологических предпосылок действий конкретных исторических субъектов. Вторая концепция понимания связана с идеей произведения как знаковой системы, как «текста» в широком смысле этого слова. Объектом понимания является смысл, трактуемый как инвариантное содержание «текста» относительно вариантов «пересказа» или представления содержания «текста» различными знаковыми системами. Границы между науками в достаточной степени условны. Для современного этапа развития научного познания характерно взаимное обогащение научных методологий и критериев оценки научных результатов. Теоретические уровни отдельных наук смыкаются в общетеоретическом, философском объяснении открытых принципов и законов, в формировании мировоззренческих и методологических сторон научного познания в целом. Существенным компонентом общенаучного познания является философское истолкование данных науки, составляющее ее мировоззренческие и методологические основы.
4. ТЕХНИЧЕСКИЙ ХАРАКТЕР ЗАПАДНОЙ КУЛЬТУРЫ Культуру, рожденную в Европе, называют и европейской, и западной. Уникальность данной культуры многие исследователи связывают с особенностями индустриально-технической модели развития западного общества. Эту культуру отличает ориентация на инновации, на изменение привычного образа жизни, внесение подвижности в устоявшиеся, привычные формы. Данная черта способствовала формированию цивилизации техногенного типа. Ее характерная особенность - быстрое изменение техники и технологий благодаря систематическому применению научных знаний; это способность к умножению знаний и изобретению нового. Наращивание материального богатства на основе постоянного обновления технических систем стало целевой ориентацией западной цивилизации. КХУШ в. принимает определенные очертания новая картина мира. Решающая роль в ее возникновении принадлежит науке Нового времени. Наука постепенно превращается в непосредственную производительную силу общества. Подготавливается и впоследствии осуществляется промышленная революция, изменившая всю систему труда, материального производства. Постепенно «лицо» Европы начинает меняться, и на нем все больше просматриваются черты индустриального (промышленного) общества. Бурное развитие науки и техники изменяло взгляды на возможности человека. Непрерывный технический прогресс, культ разума, становление науки как социального института - все это укрепляло позиции человека по отношению к природе. Человек глубоко проник в огромную мастерскую природы, раскрыл множество тайн, бесстрашно проложил себе дороги в макро- и микромир, в беспредельные дали звездного пространства, достиг вершин могущества, о котором раньше было трудно и мечтать. Западная культура возвела науку и технику в культ. Еще в ХУШ в. французские материалисты сулили обществу не только господство над природой, но и материальное благополучие, здоровое существование. Нужно было только реализовать формулу «знание - сила», стать победителями в соревновании природы и человека. Но, покорив природу с помощью техники, человек оказался вынужденным приспосабливаться к законам функционирования технических устройств небеспроблемно для себя, а иногда и для своей жизни. Человек оторвался от природы, но и для техносферы не стал родственным элементом. Сегодня крепившиеся несколько столетий убеждения в необходимости роста прогресса с помощью науки и техники несколько пошатнулись. Выросли беспокойство по поводу безопасности и критика технического и научного прогресса, непредсказуемости его последствий для природы и человека. Но остановить прогресс нельзя: техника играет огромную роль в профессиональном развитии человека, в организации быта, экономии времени, совершенствовании и расширении коммуникативных связей, универсализации личности. Вопрос гармоничного существования человека и техники не разрешен. По мнению исследователей, главное в сложившейся ситуации - избежать духовной односторонности, выражающейся в формировании личности технократического типа. Неизбежность, обусловленная техникой, может быть смягчена путем интеграции технического и гуманитарного знания.
5. ЗНАЧЕНИЕ НАУЧНО-ТЕХНИЧЕСКОЙ РЕВОЛЮЦИИ Естествознание - и продукт цивилизации, и необходимое условие ее развития. С его помощью человек развивает производство, совершенствует общественные отношения, воспитывает и обучает новые поколения людей, лечит свое тело. Это и важнейший двигатель общественного прогресса. Великие научные открытия и связанные с ними технические изобретения всегда оказывали колоссальное, подчас совершенно неожиданное воздействие на судьбы человеческой истории. Особенно мощным это воздействие стало в настоящее время - в эпоху научно-технической революции (НТР). НТР, помимо преимуществ, породила и ряд проблем. Мы сегодня живем в техногенном обществе, постоянно изменяющем бытие, обществе, в котором главной идеей развития является идея преобразования окружающего мира и подчинения природы человеку. Такое общество порождает разнообразные глобальные проблемы. Вот только некоторые из них. 1. Выживание в условиях непрерывного совершенствования оружия массового уничтожения. Впервые человечество осознало свою эфемерность. 2. Нарастающий глобальный экологический кризис. Человек - это часть природы, преобразующая саму природу, и масштабы, и последствия таких преобразований растут. 3. Проблема сохранения человеческой личности, индивидуальности как биосоциальной структуры. Нарастание глобальных проблем человечества повышает ответственность ученых за судьбы человечества. Вопрос об исторических судьбах и роли науки в ее отношении к человеку, перспективах его развития никогда не обсуждался так остро, как ныне. В мире еще много непознанного. Многие явления природы и самого человека, его биологической и духовной составляющих пока не получили научного объяснения и носят таинственный характер. Но наука и не может немедленно объяснить все загадки. Научное познание - это историческая деятельность. Она развивается по мере совершенствования не только целей, но и средств познания. Многие явления научно не объяснены и остаются загадочными, поскольку еще не сформировались средства и методы их познания. Все, что пока не познано, может быть в конце концов исследовано и объяснено (если, конечно, не внесут свои ограничения сами сроки существования человечества), когда для этого сложатся соответствующие средства, способы познания. Развитие науки, особенно в практической ее части, можно прогнозировать. Вот научно обоснованный прогноз открытий на ближайшие 10-15 лет: - способы устранения веществ, загрязняющих атмосферу; - выяснение механизма возникновения раковых заболеваний, эффективное предотвращение метастазов рака, выявление генов, препятствующих раку; - искусственный фотосинтез; - компьютер с быстродействием 10 триллионов операций в секунду; - сверхбольшие интегральные схемы с объемом памяти 1 миллиард бит на одном чипе; - прогнозирование землетрясений сильнее 7 баллов за несколько дней до их начала; - сортировка мусора с возвратом ценных компонентов в хозяйственный оборот; - глобальный контроль над воздушным транспортом через спутниковые системы; - разработка методов лечения возрастного слабоумия; - перспективные разработки в областях искусственного интеллекта, нанотехнологий, солнечных элементов, сверхпроводимости, изменения климата.
6. ЛОГИКА КАК ПРОЦЕСС МЫШЛЕНИЯ
В процессе мышления большое значение имеет оформленность его содержания, рациональный стиль. Логика обеспечивает познание мышления. Развивая мыслительные способности, логика дает навыки правильного рассуждения. Поэтому логику часто называют наукой о правильном мышлении.
Но мышление - сложный, многосторонний процесс. И логику в нем интересует не все. Логика, в отличие от других наук, изучающих мышление, исследует процесс рационального отражения объективной реальности в понятиях, суждениях, теориях, позволяющих проникать в сущность, закономерные связи действительности.
Как известно, все материальные предметы, явления и процессы имеют содержание и форму. Мысли не являются исключением из этого правила. Содержание мысли - это совокупность всех ее компонентов, свойств, состояний, характеристик, структурных связей, законов, представляющих собой результат отражения материального мира. Содержание мыслей человека бесконечно разнообразно. Но в различных по содержанию мыслях можно обнаружить нечто существенно общее. Оно характеризуется не конкретным содержанием этих мыслей, а типичностью, схемой, способом построения. При этом все содержательное многообразие укладывается в сравнительно небольшое число мыслительных форм. Дело в том, что логический строй мышления человека обладает важным свойством - имеет общепринятую форму.
Знания о форме достаточно многообразны. Общепризнанным является то, что форма отражает способ связи содержательных частей. Многообразно понимается и логическая форма. Наши мысли слагаются из некоторых содержательных частей. Способ их связи и представляет форму мысли.
Так, различные предметы отражаются в абстрактном мышлении одинаково - как определенная связь их существенных признаков, т. е. в форме понятия. В форме суждения отражаются отношения между предметами и их свойствами. Изменения свойств предметов и отношений между ними отражается в форме умозаключений. Следовательно, каждая из основных форм абстрактного мышления имеет нечто общее, что не зависит от конкретного содержания мыслей, а именно: способ связи элементов мысли - признаков в понятии, понятий в суждении и суждений в умозаключении. Обусловленное этими связями содержание мыслей существует не само по себе, а в определенных логических формах, каждая из которых при этом имеет свою специфическую структуру.
В реальном процессе мышления содержание и форма мысли существуют в неразрывном единстве. Нет чистого, лишенного формы содержания, нет чистых, бессодержательных логических форм. Однако в целях специального анализа обычно исследователи могут отвлекаться от конкретного содержания мысли, сделав предметом изучения ее форму. Исследование логических форм безотносительно к их конкретному содержанию и составляет важнейшую задачу науки логики. Отсюда и ее название - формальная логика.
Формальная логика отвлекается от конкретного содержания мыслей, но не от содержания вообще. Она учитывает истинность или ложность суждений. Однако центр тяжести она переносит на правильность мышления. Правильное (логичное) мышление имеет следующие существенные признаки: определенность, непротиворечивость, последовательность и обоснованность.
7. МАТЕМАТИЗАЦИЯ НАУКИ. ТЕОРИЯ ФРАКТАЛОВ
После триумфа классической механики И. Ньютона количественные методы стали применяться и в других науках. Так, Лавуазье, систематически используя весы в своих опытах, заложил основы количественного химического анализа. Разработка И. Ньютоном и Г.В. Лейбницем дифференциального и интегрального исчисления, развитие статистических методов анализа, связанных с познанием вероятностного характера протекания природных процессов, способствовали проникновению математических методов анализа и описания действительности в другие естественные науки.
Дифференциальное и интегральное исчисление хорошо подходит для описания изменения скоростей движений, а вероятностные методы - для необратимости и создания нового. Все можно описать количественно, и тем не менее остается проблемой отношение математики к реальности. По мнению одних методологов, чистая математика и логика используют доказательства, но не дают никакой информации о мире, а только разрабатывают средства его описания. Но еще Аристотель писал, что число есть промежуточное между частным предметом и идеей, а Г. Галилей полагал, что книга природы написана языком математики.
Евкклид в своей геометрии свел природу к чистым и симметричным объектам: точка, одномерная линия, двумерная плоскость, трехмерное тело. Среди тел имеется ряд чисто симметричных форм, таких как конусы, цилиндры, блоки. Ни один из этих объектов не имеет в себе отверстий и внешних неровностей. У каждого правильная гладкая форма. Для греков симметрия и сплошность были признаками совершенства. Только совершенство предполагалось в природе.
В реальности природа отвергает симметрию так же, как она не любит равновесия, - это в некотором смысле эквивалентные состояния. Природные объекты огрубленных форм не являются разновидностями чистых евклидовых структур. В результате создание компьютерных изображений гор при помощи евклидовой геометрии представляет собой устрашающую задачу, которая требует множество строк программного кода и большого количества обращений к датчику случайных чисел. С помощью же фрактальной геометрии гора может быть создана на экране дисплея посредством всего лишь нескольких повторно применяемых правил.
Бенуа Мандельбротможет быть назван Евклидом фрактальной геометрии. Он собрал наблюдения математиков, которые изучали «монстров», т. е. объекты, не определимые на путях евклидовой геометрии. В итоге обобщения этих математических работ и своего собственного озарения он создал геометрию природы, которая преуспела в описаниях асимметричности и невнятных форм. Б. Мандельброт сказал: «Горы не являются конусами, и облака - не сферы».
Так что же такое фрактал? Это объект, в котором части некоторым образом подобны целому, т. е. отдельные составные части самоподобны. Один из самых наглядных естественных фракталов - это дерево. Древесные ветви следуют так называемому скейлин-гу, т. е. каждое ответвление со своими собственными ветвями подобно всему дереву целиком в качественном смысле.
Не имея непосредственного отношения к реальности, математика не только описывает эту реальность, но и позволяет делать новые интересные и неожиданные выводы о реальности из теории, которая представлена в математической форме.
8. ФУНДАМЕНТАЛЬНЫЕ ПАРАДИГМЫ ЕСТЕСТВОЗНАНИЯ
В истории науки существует множество различных парадигм. В современном понимании парадигма (от греч. paradeigma - «пример, образец») - это определенные правила описания, объяснения и понимания мира.
Понятие «парадигма» введено Г. Бергманом и широко использовано Т. Куном для обозначения ведущих представлений и методов получения новых знаний. Оно часто заменяется понятием «картина мира».
Определенная система убеждений существует в любой исследовательской области. Приверженность к парадигмам отличает любое серьезное исследование. Без некоторого набора априорных убеждений, фундаментальных выводов и установок научная деятельность вообще невозможна.
Парадигмы несут не только познавательный, но и нормативный смысл: они устанавливают допустимые методы и набор стандартных решений. Но в науке возможно коренное переопределение парадигм.
Одной из наиболее авторитетных парадигм является объяснение мира исходя из принципа атомизма, или элементарности. Суть данного принципа состоит в утверждении того, что целое понимается как сумма частей, элементов.
Такое понимание обнаруживается во многих науках. На основе парадигмы атомизма основана классическая механика, учение об электричестве и магнетизме, кинетическая теория газов, неорганическая химия, клеточная теория живых организмов. Принцип элементарности реализуется и в социальных теориях (например, в понимании общества как совокупности индивидов).
Иную картину мира дает парадигма целостности. Она исходит из того, что не существует простых элементов, определяющих свойства и структуру целого мира. Первичным по отношению к частям может быть целое. Любая вещь обретает определенные свойства благодаря нахождению в системе определенных отношений. Такое понимание целого и части составляет суть системного подхода в науке. Системный подход стал одним из основных в математике, других естественно-научных предметах. Он широко применяется и в гуманитарных науках.
Парадигма целостности подразумевает, что всякое единичное существование является относительным, т. е. оно определяется отношением к «другому». Принцип относительности наибольшее развитие получил в теории А. Эйнштейна, в которой пересмотру были подвергнуты фундаментальные представления о пространстве, времени, движении.
Понимание относительности физической реальности углубила квантовая физика. В ее рамках изменились представления о самих физических объектах, которые обладают двойственной природой, таких как частицы и волны.
Ограниченные возможности измерения выражают вероятностную природу поведения и состояния объектов. Идея относительности наиболее полно отразилась в принципе симметрии, хотя природа знает и явления асимметрии.
На современном этапе все большую популярность приобретает синергетическая парадигма. Синергетика (от греч. synergetike - «сотрудничество, совместное действие») изучает общие принципы и закономерности, лежащие в основе процессов самоорганизации в системах различной природы. Синергетические системы характеризуются открытостью, неустойчивостью. Синергетика претендует на создание новой парадигмы в науке, разрабатывая новую картину мира, новые методы познания и практического отношения к действительности.
9. НАУЧНАЯ ТЕОРИЯ
Каждый новый цикл научного познания начинается с обнаружения трудности. Трудность, сформулированная в виде вопроса, представляет собой проблему. В качестве одного из вариантов решения проблемы возникает гипотеза. Обоснованная гипотеза превращается в научную теорию или новую часть уже существовавшей ранее теории. Различаются гипотеза и теория тем, что гипотеза носит вероятностный характер, теория является знанием достоверного.
Сам термин «теория» в литературе употребляется в двух смыслах. В широком смысле под теорией имеют в виду совокупность идей, направленных на истолкование и объяснение какого-либо явления, в более узком и специальном смысле теория есть высшая, самая развитая форма организации научного знания. В этом смысле она и анализируется ниже.
От гипотезы теория отличается своей достоверностью, от других видов достоверного знания (например, от научных фактов) теория отличается своей строго логической организацией и своим объективным содержанием - отражением сущности явлений, общих законов их функционирования и развития. Поэтому только теория дает возможность понять объект познания в его внутренней связи и целостности, как систему. Благодаря этому теория выполняет не только функцию объяснения, но и не менее важную функцию научного предвидения.
К основным элементам теории, ее структурным звеньям обычно относят прежде всего совокупность основных понятий, категорий, отражающих объект исследования. При помощи этих понятий в теории выражается определенная совокупность основных утверждений, в которых фиксируются законы взаимодействия элементов, сторон и связей объекта. Среди этих утверждений выделяются наиболее общие, фундаментальные, которые при логическом построении данной теории рассматриваются в качестве исходных (принципы, постулаты, аксиомы). Остальные утверждения теории выводятся или доказываются исходя из этих основных и первичных посылок.
Понятия и утверждения, образующие содержание теории, расположены не в произвольном порядке, а представляют собой логически стройную, последовательную систему, в результате чего из одних утверждений с помощью законов и правил логики можно получить другие утверждения. Логичность сформировавшейся теории в целом, конечно, не отменяет наличия в ней диалектических противоречий, связанных с отсутствием фактического материала и даже некоторых утверждений, которые не полностью укладываются в логическую схему теории. Это несоответствие как раз и порождает импульс к ее дальнейшему развитию.
Проблема соотношения старой и новой теории довольно успешно разрешается «принципом соответствия». Этот принцип гласит, что старая теория при возникновении и утверждении новой не отбрасывается начисто, а сохраняется в ней в статусе частного случая.
При обнаружении проблемы, формулировании гипотезы, обосновании теории большое значение имеет способность к творческому воображению. Многие происходящие процессы нельзя воспринять как целое, но их можно вообразить, мысленно схватить. Именно фантазия, воображение, если они опираются на данные о реальных процессах, позволяют человеку заглянуть дальше и глубже, проникнуть в сущность и понять ее.
10. ГНОСЕОЛОГИЧЕСКИЕ ПРЕДПОСЫЛКИ НАУКИ
Гносеология (теория познания) - это раздел философии, в котором изучаются закономерности и возможности познания, отношения знания к объективной реальности. Наука в ее современном понимании является принципиально новым фактором в истории человечества, возникшим в недрах новоевропейской цивилизации в XVI-XVII вв.
Немецкий философ К. Ясперс говорит о двух этапах становления науки:
- этап 1 - «становление логически и методически осознанной науки - греческой науки и параллельно зачатки научного познания мира в Китае и Индии»;
- этап 2 - «возникновение современной науки, вырастающей с конца Средневековья, решительно утверждающейся с XVII в. и развертывающейся во всей своей широте с XIX в.».
Именно в XVII в. произошло то, что дало основания говорить о научной революции, - радикальная смена основных компонентов содержательной структуры науки, выдвижение новых принципов познания, категории и методов.
Социальным стимулом развития науки стало растущее капиталистическое производство, которое требовало новых природных ресурсов и машин. Для удовлетворения этих потребностей и понадобилась наука в качестве производительной силы общества. Тогда же были сформулированы и новые цели науки, которые существенно отличались от тех, на которые ориентировались ученые древности.
Греческая наука была умозрительным исследованием (само слово «теория» в переводе с греческого означает «умозрение»), мало связанным с практическими задачами. В этом Древняя Греция и не нуждалась, поскольку все тяжелые работы выполняли рабы.
Ориентация на практическое использование научных результатов считалась не только излишней, но даже неприличной, и такая наука признавалась низменной.
Только в XVII в. наука стала рассматриваться в качестве способа увеличения благосостояния населения и обеспечения господства человека над природой.
Ф. Бэкон выдвинул знаменитый афоризм «знание - сила». Ф. Бэкон пропагандировал эксперимент как главный метод научного исследования, нацеленный на то, чтобы изучать-природу.
Стиль мышления в науке с тех пор характеризуется следующими двумя чертами: опорой на эксперимент, поставляющий и проверяющий результаты; господством аналитического подхода, направляющего мышление на поиск простейших, далее неразложимых первоэлементов реальности.
Благодаря соединению этих двух основ возникло причудливое сочетание рационализма и чувственности, предопределившее грандиозный успех науки. Отметим как далеко не случайное обстоятельство, что наука возникла не только в определенное время, но и в определенном месте - в Европе XVI в.
Причина возникновения науки - своеобразный тип новоевропейской культуры, соединившей в себе чувственность с рациональностью; чувственность, не дошедшую, как, скажем, в китайской культуре, до чувствительности, и рациональность, не дошедшую до духовности (как у древних греков). Никогда ранее в истории культуры не встречавшееся причудливое сочетание особой чувственности с особой рациональностью и породило науку как феномен западной культуры.
Таким образом, наука - это особый рациональный способ познания мира, основанный на эмпирической проверке или математическом доказательстве. Наука - это в определенном смысле есть синтез философии и религии.
11. КЛАССИФИКАЦИЯ НАУЧНЫХ ТЕОРИЙ
Все научные теории делятся на три класса. Это естествознание, обществознание и технические науки.
Естествознание - это раздел науки, основанный на воспроизводимой эмпирической проверке гипотез и создании теорий или эмпирических обобщений, описывающих природные явления. Предмет естествознания - факты и явления, которые воспринимаются нашими органами чувств. Задача ученого - обобщить эти факты и создать теоретическую модель, включающую законы, управляющие явлениями природы. Следует различать факты опыта, эмпирические обобщения и теории, которые формулируют законы науки. Явления, например тяготения, непосредственно даны в опыте; законы науки - варианты объяснения явлений. Факты науки, будучи установленными, сохраняют свое постоянное значение; законы могут быть изменены в ходе развития науки.
Значение чувств и разума в процессе нахождения истины - сложный философский вопрос. В науке признается истиной то положение, которое подтверждается воспроизводимым опытом. Основной принцип естествознания гласит: знания о природе должны допускать эмпирическую проверку. Не в том смысле, что каждое частное утверждение должно обязательно эмпирически проверяться, а в том, что опыт в конечном счете является решающим аргументом принятия данной теории.
Естествознание в полном смысле слова общезначимо и дает «родовую» истину,т. е. истину, пригодную и принимаемую всеми людьми. Поэтому оно традиционно рассматривалось в качестве эталона научной объективности. Другой крупный комплекс наук - обществознание, напротив, всегда был, связан с групповыми ценностями и интересами, имеющимися как у самого ученого, так и в предмете исследования. Поэтому в методологии обществоведения наряду с объективными методами исследования приобретает большое значение переживание изучаемого события, субъективное отношение к нему и т. п.
От технических наук естествознание отличается нацеленностью на познание, а не на помощь в преобразовании мира, а от математики - тем, что исследует природные, а не знаковые системы.
Следует учитывать различие между естественными и техническими науками, с одной стороны, и фундаментальными и прикладными - с другой. Фундаментальные науки - физика, химия, астрономия - изучают базисные структуры мира, а прикладные занимаются применением результатов фундаментальных исследований для решения как познавательных, так и социально-практических задач. В этом смысле все технические науки являются прикладными, но далеко не все прикладные науки относятся к техническим. Такие науки, как физика металлов, физика полупроводников, являются теоретическими прикладными дисциплинами, а металловедение, полупроводниковая технология - практическими прикладными науками.
Однако провести четкую грань между естественными, общественными и техническими науками в принципе нельзя, поскольку имеется целый ряд дисциплин, занимающих промежуточное положение или являющихся комплексными по своей сути. Так, на стыке естественных и общественных наук находится экономическая география, на стыке естественных и технических - бионика, а комплексной дисциплиной, которая включает и естественные, и общественные, и технические разделы, является социальная экология.
12. МЕТОДОЛОГИЯ И МЕТОДЫ НАУЧНОГО ИССЛЕДОВАНИЯ
Методология (дословно - «учение о методе») в настоящее время определяется как наука о путях и средствах рационализации научного исследования, приращения нового значения.
Метод (от греч. methodos - «преследовать») вначале понимался как образ преследования охотником зверя, но начиная с Платона как термин, обозначающий путь исследования, ведущий к истине, совокупность логических приемов достижения знания.
Приращение нового знания возможно как логическим путем, с помощью метода, так и эмпирическим, через опыт, эксперимент.
Метод является основным теоретическим инструментом получения и упорядочения научного знания.
В науке существуют два рода методологии: общенаучная (философская) и частнонаучная, и три рода методов, разделяемых по широте их применения в науке: философские, общенаучные и конкретно-научные.
Философские методы в силу всеобщности философии применимы к любому конкретному исследованию. Данные методы дают возможность связывать воедино все стороны процесса познания, все его ступени, например методы восхождения от абстрактного к конкретному, единства логического и исторического.
Конкретно-научные методы применяются в одной или группе родственных наук. Область применения общих методов шире, но они не являются всеобщими, используются не на всех стадиях исследовательской работы.
Методы также классифицируются в зависимости от содержания изучаемых наукой объектов. Например, методы естествознания имеют свои особенности по сравнению с методами гуманитарных наук.
Если классифицировать методы в связи с основными этапами познавательных процессов, то выделяются следующие методы: методы эмпирического уровня познания (наблюдение, эксперимент, описание измерений, классификация) и методы теоретического уровня (идеализация, аксиоматизация, формализация, гипотеза, индукция, дедукция, анализ, синтез, систематизация).
Особое значение для понимания единого процесса познания имеют системный метод познания, концепция самоорганизации, возникшая в рамках синергетики, а также общая теория информации, появившаяся в кибернетике.
При системном подходе объекты исследования рассматриваются как элементы некоторой целостности или системы, связанные между собой определенными отношениями. Например, элементами системы живого организма являются клетки, они образуют подсистемы - ткани, которые составляют органы живого тела. Каждая из этих подсистем обладает определенной относительной автономностью, но подсистемы низшего уровня подчинены подсистеме высшего уровня. В целом же они составляют единый, целостный живой организм.
Концепция синергетики, представляющая окружающий мир как самоорганизующийся универсум, позволяет лучше понять современную научную картину мира.
Кибернетика изучает с единой точки зрения процессы управления в технических, живых и социальных системах. Кибернетика дала мощный толчок для развития теории информации.
В основе научных методов лежит единство их эмпирической и теоретической сторон. Они взаимосвязаны и обусловливают друг друга. Их разрыв или преимущественное развитие одной за счет другой закрывает путь к правильному пониманию природы - теория становится беспредметной, опыт - слепым.
13. ГЛОБАЛЬНЫЕ ПРОБЛЕМЫ СОВРЕМЕННОСТИ
Во второй половине ХХ в. человечество столкнулось с группой проблем, от решения которых зависит дальнейший социальный прогресс, судьбы цивилизации. Эти проблемы получили название глобальных (в переводе с лат. глобус - «Земля, земной шар»).
Среди многочисленных глобальных проблем, порожденных техногенной цивилизацией и поставивших под угрозу само существование человечества, можно выделить три главных.
Первая из них - это проблема выживания в условиях непрерывного совершенствования оружия массового уничтожения.
В ядерный век человечество впервые за всю свою историю стало смертным, и этот печальный итог был «побочным эффектом» научно-технического прогресса, открывающего все новые возможности развития военной техники.
Второй острой проблемой современности становится нарастание экологического кризиса в глобальных масштабах. Два аспекта человеческого существования как части природы и как деятельного существа, преобразующего природу, приходят в конфликтное столкновение.
Представление о том, что природа неисчерпаема, оказалось неверным. Человек сформировался в рамках биосферы - особой системы, возникшей в ходе космической эволюции. Она представляет собой не просто окружающую среду, которую можно рассматривать как поле для преобразующей деятельности человека, а выступает единым, целостным организмом, в который включено все человечество в качестве подсистемы. Деятельность человека вносит постоянные изменения в динамику биосферы, и на современном этапе развития техногенной цивилизации масштабы человеческой экспансии в природу таковы, что они начинают разрушать биосферу как целостную экосистему. Грозящая экологическая катастрофа требует выработки принципиально новых стратегий научно-технического и социального развития человечества, стратегий деятельности, обеспечивающей коэволюцию человека и природы.
Не менее остро выступает проблема сохранения личности человека как биосоциальной структуры в условиях растущих процессов отчуждения. Эту глобальную проблему иногда обозначают как современный антропологический кризис. Человек, усложняя свой мир, все чаще вызывает к жизни такие силы, которые уже не контролирует, которые становятся чуждыми его природе.
Чем больше человек преобразует мир, тем в большей мере порождает непредвиденные социальные факторы, которые начинают формировать структуры, радикально изменяющие человеческую жизнь. Еще в 1960-е гг. философ Г. Маркузе констатировал в качестве одного из последствий современного техногенного развития появление «одномерного человека» как продукта массовой культуры. Впервые в истории человечества возникает реальная опасность разрушения той биогенетической основы, которая является предпосылкой индивидуального бытия человека. Угрозе уже подвергается существование телесности, являющейся результатом много миллионной биоэволюции. Мир скоростей, резких перемен сопряжен с нагрузками на психику, стрессами, разрушающими здоровье человека. Резко ухудшается генофонд человечества в процессе его биологического воспроизводства. Выход иногда видится в перспективах генной инженерии. Но это может привести к перестройке самих основ человеческой телесности с непредсказуемыми последствиями.
14. ВОЗНИКНОВЕНИЕ НАУКИ В АНТИЧНОЙ КУЛЬТУРЕ
Наука появляется тогда, когда для этого создаются объективные условия, социальный запрос на объективные знания, выделение особой группы людей, реализующих данный запрос; накопление знаний, познавательных приемов, способов символического выражения и передачи информации.
Совокупность таких условий складывается в древнегреческой культуре VII-VI вв. до н. э.
Именно в этот период появляются первые рациональные программы, свободные от религиозных и мистических представлений. Именно здесь появляется наука как доказательное знание. Она не связывалась с непосредственно орудийно-трудовой деятельностью, была идеализированным феноменом.
Но именно отказ от материально-практического отношения к действительности породил абстрагирование - непременное условие науки.
Важной отличительной особенностью науки в контексте древнегреческой культуры была ее направленность на самостоятельное, объективное рассмотрение природы как реальности. Греческую мысль отличали стремление к точному познанию действительности, доказательству, критический дух и смелость выводов. Греческая наука отличалась независимостью от мифологии, из недр которой она вышла.
Первой научной программой стала математическая программа, представленная Пифагором, позднее развитая Платоном. Отношения действительности Пифагор выразил в числах, представляемых им в качестве первоосновы мира.
Историки науки считают, что основная заслуга Пифагора и его последователей заключается в том, что они превратили геометрию в теоретическую дедуктивную науку, заложили основы арифметики и математического естествознания, дали стимул к поиску количественных отношений в природе и выражению их языком математических формул.
Дальнейшее формирование пифагорейской программы продолжили софисты и элеаты, разработавшие теорию доказательств. Свое завершение математическая программа получила в философии Платона, который представил мир идей как иерархически упорядоченную структуру. Платон основал первую научную школу - Академию.
Второй научной программой античности, выступающей в качестве универсальной концепции природного мира, стал атомизм. Основоположниками его считаются Левкипп и его ученик Демокрит, хотя зачатки данного подхода можно обнаружить уже у Анаксиме-на, Эмпедокла, Анаксагора.
Учение атомизма исходило из того, что неделимые атомы являлись началом всего сущего. Движение атомов выступало причиной изменений в природе.
Программа ААристотеля стала третьей научной программой античности. В ней наряду со стремлением к целостному философскому осмыслению действительности отчетливо проявляются эллинистические тенденции к выделению отдельных направлений исследования в самостоятельные науки со своим предметом и методом.
Аристотель в отличие от других античных мыслителей не отделял вещи и идеи. Заслугой Аристотеля является и создание понятийно-категориального аппарата науки, классификации научных знаний.
Данные программы заложили основы науки, правда, научное знание пока было абстрактно-объяснительным, лишенным созидательного компонента, но зачатки науки как особого типа отношения к реальности появились в культуре античности.
15. НАУКА, ВЕРА, ЗНАНИЕ В УСЛОВИЯХ СРЕДНЕВЕКОВЬЯ
В отличие от античности средневековая наука не предложила новых фундаментальных программ, но она не ограничилась только пассивным усвоением достижений античной науки.
В средневековую эпоху основным доминирующим мировоззрением было теологическое мировоззрение. Наука становилась средством решения чисто практических задач.
Наиболее представительными текстами, освященными божественным авторитетом, были тексты Священного Писания, истолкование текстов выступало основным в научной деятельности. Но христианское мировоззрение тем не менее посеяло зерна нового понимания природы, позволившего уйти от созерцательного отношения к ней античности и перейти к экспериментальной науке Нового времени, поставившей целью практическое преобразование мира.
В недрах средневековой культуры развивались такие специфические области знания, как астрология, алхимия, натуральная магия. Эти дисциплины представляли собой промежуточное звено между ремеслом и натурфилософией и в силу своей практической направленности содержали в себе зародыш будущей экспериментальной, опытной науки.
Ситуация изменилась в XII в., когда в христианской культуре стало использоваться наследие Аристотеля. Развести теологию и науку позволила концепция «двойственной истины», т. е. признание наряду с верой, основанной на откровении, и права на существование «естественного разума».
Развитие астрономии, математики, физики требовало точных измерений - именно в лоне данных наук появляется экспериментирование. Рационализировалось и теологическое знание, пытавшееся в отличие от раннесредневековых представлений о Боге как непознаваемом феномене логически доказать существование Бога, понять совершенную красоту его творений.
В развитии рациональности большое значение имели университеты, прививавшие логико-дискурсивное мышление и искусство аргументации. Без этого было бы невозможно дальнейшее развитие интеллектуальных средств научного познания.
Идеи всестороннего обоснования знания развивали Ф. Бэкон и У. Оккам.
Ф. Бэкон выступил с идеей математического естествознания, считая, что изучать и проверять все науки следует с помощью математики. В представлении Ф. Бэкона математика - «врата и ключ всех наук» - объединяет в себе комплекс теоретических и практических дисциплин.
У. Оккам выдвинул идею радикального эмпиризма. Он впервые сформулировал принцип простоты научного знания, вошедший в методологию науки под названием «бритвы Оккама», острие которой было направлено против схоластики и расчищало поле деятельности для естествоиспытателей.
Постепенно изменялось соотношение веры и разума, в эпоху Возрождения разум был поставлен выше откровения.
Период Возрождения охватывал два с половиной столетия (ХIV-ХVI вв.). В Европе в этот период складывались новые организационные и материальные возможности для научного развития, разработки новых принципов познания действительности. Началась кардинальная ломка канонов схоластического, догматического мышления.
Новые тенденции научной мысли нашли яркое выражение в творчестве величайших мыслителей - Н. Кузанского, Леонардо да Винчи, Н. Коперника, Д. Бруно.
Но научная мысль Возрождения не смогла до конца освободиться от теологических элементов.
16. СТАНОВЛЕНИЕ И ОСНОВНЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ КЛАССИЧЕСКОЙ НАУКИ И НАУЧНОЙ КАРТИНЫ МИРА В НОВОЕ ВРЕМЯ
На смену Средневековью пришло Новое время, которое датируется ХVII-ХVIII вв.
В социальной области в этот период происходили ранние буржуазные революции, положившие начало формированию капиталистического способа производства, который обусловил потребность в новой науке, развитии опытного знания как главного средства решения практически важных для производства того времени технологических задач.
Революционную роль в развитии опытного естествознания сыграла созданная польским астрономом Н. Коперником гелиоцентрическая модель мира. Учение Н. Коперника привело к радикальному пересмотру представлений о мире. Гелиоцентризм (от греч. gelios - «солнце») давал совершенно иную схему движения небесных тел. Горячим сторонником этого учения стал И. Кеплер, который впервые заинтересовался идеей числовых соотношений между планетами.
Но основы нового типа мировоззрения, новой науки были заложены Г. Гал1илеем. Большое значение он придавал математике, считал, что только она способна научить человека искусству доказательства. Г. Галилей в науке преуспел во многом: действенно поддержал коперниковскую теорию, постулировал полную подчиненность природы законам математики, ввел идею о силе как действующем механическом факторе, изложил основы современной механики и экспериментальной физики, обосновал принципы современного научного метода. Поэтому не случайно именно эта фигура отмечает рождение научного естествознания.
Обоснование механического понимания природы философскими аргументами осуществил Р. Декарт.
Завершил разработку механистической картины мира И. Ньютон. Опираясь на работы И. Кеплера, Г. Галилея, Р. Декарта, он сформулировал основные законы классической механики, открыл закон всемирного тяготения, принципы дифференциального исчисления, выдвинул основные положения теории света.
Этап формирования классической науки характеризуется целым рядом специфических особенностей.
1. Стремление к завершенной системе знаний, фиксирующей истину в окончательном виде. Это связано с ориентацией на классическую механику, представлявшую мир в виде гигантского механизма, четко функционирующего на основе вечных и неизменных законов механики. Поэтому механика рассматривалась как универсальный метод познания окружающих явлений и как эталон всякой науки вообще.
2. Рассмотрение природы как неизменного целого. Данный методологический подход породил такие специфические для классической науки установки, как статизм, антиэволюционизм. Истолкование явлений реальности было в полной мере метафизическим, лишенным представлений об их изменчивости, развитии.
3. Сведение Жизни и вечно живого на положение ничтожной подробности Космоса, отказ от признания их качественной специфики. Организм понимался как механизм. Бренность и ничтожность жизни как случайность в Космосе, казалось, все более подтверждались успехами точного знания.
4. Наука вытеснила религию в качестве интеллектуального авторитета. Человеческий разум и практическое преобразование природы вытеснили теологическую доктрину. Вера и разум были разведены в разные стороны. Религия и философия были вынуждены сообразовывать свои позиции с наукой.
17. РЕВОЛЮЦИЯ В ЕСТЕСТВОЗНАНИИ КОНЦА ХIХ-НАЧАЛА ХХ ВВ. СТАНОВЛЕНИЕ ИДЕЙ И МЕТОДОВ НЕКЛАССИЧЕСКОЙ НАУКИ
Эпоху конца ХIХ-начала ХХ в. открывает глобальная научная революция, связанная со становлением новой неклассической науки.
В эту эпоху происходит своеобразная цепная реакция перемен в различных отраслях знания. Толчком к данным переменам был целый ряд ошеломляющих открытий в физике, разрушивших всю прежнюю картину мира. Сюда относятся открытие делимости атома, электромагнитных волн, радиоактивности, светового давления, введение идеи кванта, создание теории относительности, описание процесса радиоактивного распада. Под воздействием данных открытий разрушались прежние представления о материи и ее строении, свойствах, формах движения и типах закономерностей, о пространстве и времени. Это привело к кризису физики и всего естествознания, являвшегося симптомом более глубокого кризиса метафизических оснований классической науки.
Второй этап революции начался в середине 20-х гг. ХХ в. и был связан с созданием квантовой механики и сочетанием ее с теорией относительности в новой квантово-релятивистской физической картине мира.
Началом третьего этапа революции было овладение атомной энергией и последующие исследования, с которыми связано зарождение электронно-вычислительных машин и кибернетики. Также в этот период наряду с физикой стали лидировать химия, биология и цикл наук о Земле. Следует также отметить, что с середины ХХ в. наука окончательно слилась с техникой, приведя к современной научно-технической революции.
В процессе всех этих революционных преобразований формировались идеалы и нормы новой неклассической науки.
Они характеризовались отказом от прямолинейности рассуждений, пониманием относительной истинности теорий и картины природы. Осмысливались взаимодействия между основополагающими постулатами науки и характеристиками метода, посредством которого осваивается объект.
Изменяются идеалы и обоснования знания. Вводится при изложении теорий новая система понятий. Новые познавательные идеалы и нормы обеспечивали расширение поля исследуемых объектов, открывая пути к освоению сложных самоорганизующихся систем.
В новой картине мира природа и общество представлялись сложными динамическими системами. Этому способствовало открытие специфики законов микро-, макро- и мегамиров, интенсивное исследование механизмов наследственности с изучением уровней организации жизни, обнаружение кибернетикой общих законов управления и обратной связи. Сформировалось новое отношение к феномену жизни. Жизнь перестала казаться случайным явлением во Вселенной, а стала рассматриваться как закономерный результат саморазвития материи, также закономерно приведший к возникновению разума.
Картины реальности, вырабатываемые в отдельных науках, на этом этапе еще сохраняли свою самостоятельность, но каждая из них участвовала в формировании представлений, включаемых в общенаучную картину мира.
Радикально видоизменялись философские основания науки.
Развитие новых представлений в физике, биологии, кибернетике видоизменяло смыслы категорий части и целого, причинности, случайности и необходимости, объекта, процесса, состояния и т. д.
18. КОНЦЕПТУАЛЬНО-МЕТОДОЛОГИЧЕСКИЕ СДВИГИ В ЕСТЕСТВОЗНАНИИ КОНЦА ХХ В
Использование научных открытий для создания новых видов оружия и особенно создание атомной бомбы заставило человечество пересмотреть свою прежнюю безоговорочную веру в науку. Современная наука стала оцениваться критически. Многие деятели культуры считали, что техника дегуманизи-рует человека, окружая его искусственными предметами; она отнимает его у живой природы, ввергая в унифицированный мир, где цель поглощают средства, где промышленное производство превращает человека в придаток машины, где решение всех проблем видится в дальнейших технических достижениях. Под воздействием нескончаемых технических новшеств современная жизнь меняется с неслыханной быстротой.
К этой гуманистической критике вскоре присоединились более тревожные факты неблагоприятных научных достижений. Опасное загрязнение воды, воздуха, почвы планеты, вредоносное воздействие на жизнь животных и растений, нарушения в экосистеме всей планеты - эти серьезные проблемы заявляли о себе все настойчивей.
Эти факты, которые отчетливо проявляются в современной науке, говорят о ее кризисе, разрешить который сможет только новая глобальная мировоззренческая революция.
К концу ХХ в. мир потерял веру в науку, она безвозвратно утратила свой прежний облик, оставила и свои прежние заявления об абсолютной непогрешимости своего знания. Поиск путей выхода из глобального кризиса еще только идет, черты будущего постмодернистского мировоззрения, как и новой постнеклассической науки, еще только намечаются.
Нынешнее состояние науки характеризуется понятием «постмодерн».
По мнению большинства ученых, будущая наука будет обладать следующими чертами.
1. Наука должна будет осознать свое место в общей системе человеческой культуры и мировоззрения. Постмодернизм принципиально отвергает выделение какой-то одной сферы человеческой деятельности или одной черты в мировоззрении в качестве ведущей. Все, что создано человеком, является частью его культуры, важно и нужно для человека, выполняет свои собственные задачи, но имеет и свои границы применимости, которые нужно осознавать и не переходить. Именно это должна сделать постнеоклассическая наука - осознать пределы своей эффективности и плодотворности, признать равноправие таких сфер человеческой деятельности и культуры, как религия, философия, искус-ство, осознать возможность и результативность нерациональных способов освоения действительности.
2. Модернистская наука ставила своей целью создание нового образа мира, полученного на основе концептуального единства, порядка, систематичности, непротиворечивости, тотальности, незыблемости. Постмодернистская наука больше интересуется образом самой себя как социокультурной реальности, допускает элементы субъективности в объективном знании. Полученный образ ориентирован на непрерывное обновление, открыт инновациям.
3. В постмодернизме наблюдатель считает себя частью исследуемого мира, познание постнеоклассической науки диалогично.
4. В основе постмодерна лежит идея всеединой, нелинейной, самоорганизующейся, саморегулирующейся системы.
5. Важной чертой новой науки должна будет стать комплексность.
19. ПРОБЛЕМА УЧЕНИЯ О ВЗАИМОДЕЙСТВИИ
Взаимодействие в физике - это воздействие тел или частиц друг на друга, приводящее к изменению состояния их движения. Именно взаимодействие - основная причина движения материи, поэтому взаимодействие, как и движение, универсально, т. е. присуще всем материальным объектам. В механике Ньютона взаимное действие тел друг на друга характеризуется силой.
Первоначально в физике утвердилось представление о том, что взаимодействие между телами может осуществляться непосредственно через пустое пространство, которое не принимает никакого участия в передаче взаимодействия; при этом передача взаимодействия происходит мгновенно. Так, считалось, что перемещение Земли должно сразу же приводить к изменению силы тяготения, действующей на Луну. В этом состояла так называемая концепция дальнодействия, составляющая основу классической физики до конца XIX в.
Однако данные представления были оставлены как не соответствующие действительности после открытия и исследования электромагнитного поля. Было доказано, что взаимодействие электрически заряженных тел не осуществляется мгновенно и перемещение одной заряженной частицы приводит к изменению сил, действующих на другие частицы, не в тот же момент, а спустя некоторое конечное время. В разделяющем частицы пространстве происходит некоторый процесс, который распространяется с конечной скоростью. Соответственно, имеется «посредник», осуществляющий взаимодействие между заряженными частицами. Этот посредник был назван электромагнитным полем. Каждая электрически заряженная частица создает электромагнитное поле, действующее на другие частицы. Скорость распространения электромагнитного поля равна скорости света в вакууме c3 X 10 " см/с. Возникла новая концепция - близ-кодействия, которая позже была распространена и на любые другие взаимодействия. Согласно этой концепции взаимодействие между телами осуществляется посредством тех или иных полей, непрерывно распределенных в пространстве. Эта по существу полевая концепция в квантовой теории поля дополняется утверждением: при любом взаимодействии происходит обмен особыми частицами.
После появления квантовой теории поля представление о взаимодействии существенно изменилось. Согласно квантовой теории поля любое поле представляет собой совокупность частиц - квантов этого поля. Каждому полю соответствуют свои частицы. Например, квантами электромагнитного поля являются фотоны. Они обладают нулевой массой. Во многих случаях они регистрируются приборами в виде электромагнитной волны разной длины. Например, воспринимаемый невооруженным глазом видимый свет представляет собой электромагнитную волну в довольно узком диапазоне длин волн, соответствующем максимуму солнечного излучения. Аналогично другие виды взаимодействия возникают в результате обмена между частицами квантами соответствующих полей: переносчиками гравитационного взаимодействия являются гравитоны - частицы с нулевой массой; сильное взаимодействие передается глюонами - частицами, «склеивающими» кварки, входящие в состав протонов, нейтронов и других частиц; переносчиками слабого взаимодействия являются промежуточные, или векторные, бозоны.
20. ВЗАИМОДЕЙСТВИЕ И СВЯЗЬ В ПРИРОДЕ
Под энергией связи понимают энергию связанной системы каких-либо частиц, равную работе, которую необходимо затратить, чтобы разделить эту систему на составляющие ее частицы и удалить их друг от друга на такое расстояние, на котором их взаимодействием можно пренебречь. Энергия связи определяется взаимодействием частиц и является отрицательной величиной, так как при образовании связанной системы энергия выделяется. Абсолютная величина энергии связи характеризует прочность связи и устойчивость системы. Например, для атомного ядра энергия связи определяется сильным взаимодействием нуклонов в ядре. Для наиболее устойчивых ядер она составляет 8 X 10 эВ/нуклон (удельная энергия связи - энергия связи, приходящаяся на один нуклон). Эта энергия может выделиться при слиянии легких ядер в более тяжелое ядро (термоядерная реакция), а также при спонтанном делении тяжелых ядер. Термоядерные реакции происходят при очень высоких температурах. Такие температуры необходимы для преодоления электростатического барьера, обусловленного взаимным отталкиванием ядер (как одноименно заряженных частиц). Без этого невозможно сближение ядер на расстояние порядка радиуса действия ядерных сил. Поэтому термоядерные реакции в природных условиях протекают лишь в недрах звезд. Так как термоядерные реакции представляют собой процессы образования сильно связанных ядер из более рыхлых, то они сопровождаются выделением в продуктах реакции избыточной кинетической энергии, равной увеличению суммарной энергии связи. На использовании этой выделившейся энергии основана ядерная энергетика.
Энергия связи, электронов в атоме или молекуле определяется электромагнитным взаимодействием. Для атома водорода в основном состоянии она равна 13,6 эВ. Этим же взаимодействием обусловлена энергия связи атомов в молекуле и кристалле. Например, ковалентное межатомное взаимодействие возникает в результате обобществления валентных электронов парой соседних атомов, при этом происходит понижение энергии.
Энергия связи, обусловленная гравитационным взаимодействием, обычно мала и имеет значение лишь для некоторых космических объектов, например для черных дыр. Они возникают в результате сжатия тела гравитационными силами до размеров, меньших его гравитационного радиуса: rx = 2GM /c2 где М- масса тела, G-гравитационная постоянная, с - численное значение скорости света).
Черной дырой может стать звезда. У вращающейся черной дыры вне горизонта (области, за которую не выходит свет) существует особая область - эрго-сфера. Вещество, попавшее в эргосферу, неизбежно начинает вращаться вокруг черной дыры. Наличие эргосферы может привести к потере черной дырой энергии вращения. Это возможно в случае, когда некоторое тело, влетев в эргосферу, распадается на две части, причем одна из них продолжает падение на черную дыру, а другая вылетает из эргосферы по направлению вращения. Энергия вылетающей части может при определенных условиях превышать первоначальную энергию всего тела.
Таким образом, понятие энергии связи ядра играет особо важную роль в ядерной физике. Энергия связи позволяет объяснить устойчивость ядер, а также выяснить, какие процессы ведут к выделению ядерной энергии.
21. ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА ФИЗИЧЕСКОГО ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ
Одно из определений физики как науки таково: физика является учением о различных типах взаимодействий. Взаимодействие является основной причиной движения материи. Оно присуще всем материальным объектам, т. е. можно сделать вывод, что взаимодействие универсально, как и движение.
Основными характеристиками движения являются энергия и импульс, и именно энергией и импульсом обмениваются объекты при взаимодействии. В классической механике взаимодействие определяется силой, с которой один материальный объект действует на другой. В более общем случае взаимодействие характеризуется потенциальной энергией.
О том, как осуществляется взаимодействие между объектами, существует две концепции: близ-кодействия и дальнодействия. Первая теория говорит о том, что взаимодействие материальных объектов передается через пустое пространство мгновенно. Эта теория служила основой классической физики и существовала до конца XIX в. В настоящее время экспериментально подтверждена концепция дальнодействия: взаимодействия передаются посредством физических полей с конечной скоростью, не превышающей скорости света в вакууме.
Взаимодействия материальных объектов и систем, наблюдаемые нами в окружающем мире, весьма разнообразны. Но в общем случае их можно отнести к четырем видам фундаментальных взаимодействий: гравитационному, электромагнитному, слабому и сильному. Гравитационное взаимодействие проявляется во взаимном притяжении любых материальных объектов, имеющих массу. Электромагнитное взаимодействие обусловлено электрическими зарядами и передается посредством электрического и магнитного полей. Сильное взаимодействие обеспечивает связь нуклонов в ядре и определяется ядерными силами. Слабое взаимодействие обусловливает большинство распадов элементарных частиц, взаимодействие нейтрино с веществом и другие процессы.
Для количественной характеристики фундаментальных взаимодействий обычно используют безразмерную константу взаимодействия, определяющую величину взаимодействия и радиус действия. Для гравитационного взаимодействия эта константа равна 6 ? 10-39, а радиус его действия бесконечен. Для электромагнитного взаимодействия значение константы составляет 1/137, а радиус его действия также неограничен. Константа сильного взаимодействия равна 1, оно проявляется в пределах размеров ядра. Для слабого взаимодействия постоянная равна 10-14, а радиус взаимодействия - порядка 10-18.
Фундаментальные взаимодействия характеризуются соответствующими константами, которые в зависимости от систем координат могут иметь различные значения. Обычно используются следующие значения этих констант. Гравитационное взаимодействие характеризуется постоянной Кавендиша Gm= 6,7 ? 10-11н ? м2/кг2. Слабое взаимодействие - универсальной постоянной Gm= 1,4 ? 10-62Дж ? м3. Электромагнитное и сильное взаимодействия обычно характеризуются безразмерными постоянными. Первое - ge=1/137 - так называемая «постоянная тонкой структуры»; второе - g5= 8 ? 10-2.
Создание единой теории фундаментальных взаимодействий - одна из важнейших задач современного естествознания. Предполагается, что при относительно больших энергиях взаимодействия частиц все четыре фундаментальных взаимодействия характеризуются единой силой.
22. ФУНДАМЕНТАЛЬНЫЕ ФИЗИЧЕСКИЕ ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ: ГРАВИТАЦИОННОЕ, ЭЛЕКТРОМАГНИТНОЕ, СЛАБОЕ И СИЛЬНОЕ
Наблюдаемые в природе взаимодействия материальных объектов и систем весьма разнообразны. Однако, как показали физические исследования, все взаимодействия можно отнести к четырем видам фундаментальных взаимодействий:
- гравитационному;
- электромагнитному;
- сильному;
- слабому.
Гравитационное взаимодействие проявляется во взаимном притяжении любых материальных объектов, имеющих массу. Оно передается посредством гравитационного поля и определяется фундаментальным законом природы - законом всемирного тяготения, сформулированным И. Ньютоном: между двумя материальными точками массой m1 и m2, расположенными на расстоянии rдруг от друга, действует сила F, прямо пропорциональная произведению их масс и обратно пропорциональная квадрату расстояния между ними:
F = G ? (m1m2)/r2. где G-гравитационная постоянная. В соответствии с квантовой теорией г' поля переносчиками гравитационного взаимодействия являются гравитоны - частицы с нулевой массой, кванты гравитационного поля.
Электромагнитное взаимодействие обусловлено электрическими зарядами и передается посредством электрического и магнитного полей. Электрическое поле возникает при наличии электрических зарядов, а магнитное - при их движении. Изменяющееся магнитное поле порождает переменное электрическое поле, которое в свою очередь является источником переменного магнитного поля.
Электромагнитное взаимодействие описывается фундаментальными законами электростатики и электродинамики: законом Кулона, законом Ампера и другими, - и в обобщенном виде - электромагнитной теорией Максвелла, связывающей электрическое и магнитное поля. Получение, преобразование и применение электрического и магнитного полей служат основой для создания разнообразных современных технических средств.
Согласно квантовой электродинамике переносчиками электромагнитного взаимодействия являются фотоны - кванты электромагнитного поля с нулевой массой.
Сильное взаимодействие обеспечивает связь нуклонов в ядре. Оно определяется ядерными силами, обладающими зарядовой независимостью, короткодей-ствием, насыщением и другими свойствами. Сильное взаимодействие отвечает за стабильность атомных ядер. Чем сильнее взаимодействие нуклонов в ядре, тем стабильнее ядро. С увеличением числа нуклонов в ядре и, следовательно, размера ядра удельная энергия связи уменьшается и ядро может распадаться.
Предполагается, что сильное взаимодействие передается глюонами - частицами, «склеивающими» кварки, входящие в состав протонов, нейтронов и других частиц.
В слабом взаимодействии участвуют все элементарные частицы, кроме фотона. Оно обусловливает большинство распадов элементарных частиц, взаимодействие нейтрино с веществом и другие процессы. Слабое взаимодействие проявляется главным образом в процессах бета-распада атомных ядер. Переносчиками слабого взаимодействия являются промежуточные, или векторные, бозоны - частицы с массой, примерно в 100 раз большей массы протонов и нейтронов.
23. СОЗДАНИЕ ТЕОРИИ ВЕЛИКОГО ОБЪЕДИНЕНИЯ
Наблюдаемые в природе взаимодействия материальных объектов и систем весьма разнообразны, но все они могут быть отнесены к четырем видам фундаментальных взаимодействий: гравитационному, электромагнитному, сильному и слабому. Связаны ли эти виды фундаментальных взаимодействий между собой?
В результате экспериментальных исследований взаимодействий элементарных частиц в 1983 г. было обнаружено, что при больших энергиях столкновения протонов слабое и электромагнитное взаимодействия не различаются - их можно рассматривать как единое электрослабое взаимодействие. Теорию электрослабых сил нельзя считать полностью доказанной, но основная ее идея проверена многими опытами. Эта идея сводится к тому, что электромагнитное поле представляет собой часть более общего электрослабого поля, состоящего из нескольких форм, или компонентов. Этих компонентов в четыре раза больше, чем в электромагнитном поле.
Радиус действия слабых сил - приблизительно 10-16см. На этом масштабе они объединяются с электромагнитными силами, а на меньших масштабах электрослабые поля неразделимы, подобно электрическому и магнитному полям быстро движущегося заряда.
Что же происходит дальше? Тут и начинается область гипотез. Согласно большинству из них электрослабые взаимодействия объединяются с сильными приблизительно на масштабе 10 - 30 см. Но такие малые масштабы трудно представить.
Однако решающий эксперимент для проверки этого так называемого Великого объединения может быть проведен в ближайшие годы. Дело в том, что почти неизбежным следствием Великого объединения является нестабильность протона.
Это процесс совершенно нового типа, при котором в нуклонах происходят уже не переходы одних кварков в другие, как при ?-распаде, а превращение кварков в антикварки и лептоны. Оказывается нарушенным закон сохранения барионного заряда. Вероятности таких превращений, конечно, очень малы, иначе просто не существовали бы ни мы сами, ни окружающая нас ядерная материя, - она бы рассыпалась на более легкие частицы.
Другое вероятное следствие Великого объединения - это существование «монополей», одиночных магнитных зарядов. Их масса должна быть фантастически велика.
АльбертЭйнштейн предполагал возможность объединения электромагнитного взаимодействия с гравитационным. Теперь объединение электромагнитного взаимодействия со слабым и, возможно, сильным взаимодействиями, это будет, можно сказать, суперобъединение - все четыре силы природы сводятся к одной исходя из какого-то фундаментального принципа. Возможно, такие экстремальные условия существовали в начальный момент зарождения Вселенной. При расширении Вселенной и быстром охлаждении образовавшегося вещества единое взаимодействие разделилось на четыре принципиально отличающихся друг от друга взаимодействия, определивших структурную организацию материи.
Создание единой теории фундаментальных взаимодействий - одна из важнейших задач современного естествознания. Решение такой задачи потребует синтеза естественно-научных знаний о материальных объектах разных масштабов - от элементарных частиц до Вселенной. Эта теория обеспечит концептуальное обобщение знаний об окружающем нас мире.
24. СТРУКТУРНЫЕ УРОВНИ ОРГАНИЗАЦИИ МАТЕРИИ
Важнейшее свойство материи - ее структурная и системная организация, которая выражает упорядоченность существования материи в виде огромного разнообразия материальных объектов различных масштабов и уровней, связанных между собой единой системой иерархии. Непосредственно наблюдаемые нами тела состоят из молекул, молекулы - из атомов, атомы - из ядер и электронов, атомные ядра - из нуклонов, нуклоны - из кварков. Сегодня принято считать, что электроны и гипотетические частицы кварки не содержат более мелких частиц.
С биологической точки зрения самая крупная живая система - биосфера - состоит из биоценозов, содержащих множество популяций живых организмов различных видов, а популяции образуют отдельные особи, живой организм которых состоит из клеток со сложной структурой, включающих ядро, мембрану и другие составные части.
В современном естествознании множество материальных систем принято условно делить на микромир, макромир и мегамир. К микромиру относятся молекулы, атомы и элементарные частицы. Материальные объекты, состоящие из огромного числа атомов и молекул, образуют макромир. Самую крупную систему материальных объектов составляет мегамир - мир планет, звезд, галактик и Вселенной.
Материальные системы микро-, макро- и мегами-ра различаются между собой размерами, характером доминирующих процессов и законами, которым они подчиняются.
Отношение самого большого размера к самому малому, составляющее сегодня 44 порядка, возрастало и будет возрастать по мере накопления естественно-научных знаний об окружающем мире.
Важнейшая концепция современного естествознания заключается в материальном единстве всех систем микро-, макро- и мегамира.
Материальные объекты микро-, макро- и мегамира отличаются друг от друга не только своими размерами, но и другими количественными характеристиками. Так, один моль любого вещества содержит огромное число молекул или атомов, называемое постоянной Авогадро и примерно равное 6 х 1023моль-1.
Свойства и особенности материальных объектов микро-, макро- и мегамира описываются разными теориями, принципами и законами. При объяснении процессов в микромире используются принципы и теории квантовой механики, квантовой статистики и т. п. Изучение материальных объектов макросистем основано на законах и теориях классической механики Ньютона, термодинамики и статической физики, классической электродинамики Максвелла. Вместе с тем многие понятия и концепции (энергия, импульс и др.), введенные в классической физике для описания свойств материальных объектов макромира, с успехом используются для объяснения процессов в микро-и мегамире. Движение планет Солнечной системы описывается законом всемирного тяготения и законами Кеплера. Происхождение и эволюция Вселенной объясняются на основании комплекса естественнонаучных знаний, включающих физику элементарных частиц, квантовую теорию поля и т. п.
Материальные объекты образуют целостную систему лишь в том случае, если энергия связи между ними больше кинетической энергии каждого из них. Энергия связи - это та энергия, которую необходимо затратить, чтобы полностью «растащить» систему на отдельные ее составляющие.
25. СТРУКТУРНОСТЬ И СИСТЕМНОСТЬ МАТЕРИИ
Материя - одно из фундаментальных понятий философии и науки. По определению В. И. Ленина, материя - философская категория для обозначения объективной реальности, отображаемой нашими ощущениями и существующей независимо от них. Важнейшим свойством материи и материальных образований является ее системность и структурность.
Система - это комплекс взаимодействующих элементов, или, что одно и то же, ограниченное множество взаимодействующих элементов. Для системы обычно характерна иерархичность строения - последовательное включение системы более низкого уровня в систему более высокого уровня.
Мы знаем, что непосредственно наблюдаемые нами тела состоят из молекул, молекулы - из атомов, атомы - из ядер и электронов, атомные ядра - из нуклонов (нейтронов и протонов), нуклоны - из кварков. Сегодня принято считать, что электроны и кварки не содержат более мелких частиц.
Поэтому в современном естествознании множество материальных систем принято условно делить на микромир, макромир и мегамир.
К микромиру относятся молекулы, атомы и элементарные частицы. Макромир составляют материальные объекты, состоящие из огромного числа атомов и молекул. Мир планет, звезд, галактик и Вселенной образует мегамир.
Важнейшая концепция современного естествознания заключается в материальном единстве всех систем микро-, макро- и мегамира. Таким образом, можно говорить о единой материальной основе происхождения всех материальных систем на разных стадиях эволюции Вселенной.
Свойства и особенности материальных объектов микро-, макро- и мегамира отличаются друг от друга не только размерами, но и количественными характеристиками. Материальные объекты образуют целостную систему, если энергия связи между ними больше кинетической энергии каждого из них. Энергия связи - это та энергия, которую надо затратить на «растаскивание» всей системы на отдельные ее части полностью.
С другой стороны, в классической физике различали два вида материи - вещество и поле. Вещество - это вид материи, обладающий массой покоя. В конечном счете вещество слагается из элементарных частиц, масса покоя которых не равна нулю (в основном из электронов, протонов и нейтронов). В классической физике вещество и поле противопоставлялись друг другу как два вида материи, у первого из которых структура дискретна, а у второго - непрерывна. Квантовая физика, внедрившая идею двойственной корпускулярно-волновой природы любого микрообъекта, привела к нивелированию этого представления. Выявление тесной взаимосвязи вещества и поля привело к углублению представлений о структуре материи. На этой основе были строго разграничены понятия вещества и материи, отождествлявшиеся в науке много веков.
Изучением свойств вещества в его различных агрегатных состояниях занимаются физика твердого тела, физика жидкостей и газов, физика плазмы. Свойства и структуру материи на микроскопическом уровне изучают атомная физика, ядерная физика, физика элементарных частиц. Распределение и структуру материи во Вселенной изучает астрофизика.
26. ПОЛЕ И ВЕЩЕСТВО
Материя - философская категория для обозначения объективной реальности, отражаемой нашими ощущениями и существующей независимо от них. В классических представлениях естествознания различают два вида материи - вещество и поле.
Согласно теории корпускулярно-волнового дуализма свет - это поток частиц - квантов или фотонов, несущих определенные порции энергии и импульса, но в то же время свет - это волны электромагнитного поля, обладающие энергией и импульсом и распространяющиеся в пространстве со скоростью света.
В квантовой механике любой частице соответствует волна. А когда частиц много? С точки зрения квантовой механики можно было бы сопоставить каждой частице свое поле. Однако опыт свидетельствует о полной неразличимости тождественных частиц. Конечно, уэлектронов могут быть разные энергии и импульсы, но при одних и тех же параметрах электроны одинаковы.
Итак, если все частицы одинаковы, как волны в одной и той же среде, то, значит, эта среда, т. е. поле, является более фундаментальным понятием.
Поле определяется через силы, действующие на некоторый пробный объект (заряд, массу), помещенный в данную точку пространства. Пространство непрерывно. В каждой его точке эта сила имеет вполне определенное значение, считающееся характеристикой поля. При этом переход от точки к точке непрерывный и плавный. Важным свойством поля является непрерывность его характеристик. Именно непрерывность позволяет эффективно применять математические методы для описания физических характеристик разнообразных объектов. К настоящему времени известно несколько типов физических полей, соответствующих типам взаимодействий, - электромагнитное и гравитационное поля, поле ядерных сил, волновые поля элементарных частиц.
С математической точки зрения поле - это произвольная функция или набор функций, координат и времени.
Поля могут быть постоянными и переменными. Например, электрическое и магнитное поля фотона являются переменными (они синусоидально зависят от координат и времени, т. е. изменяются по гармоническому закону), а магнитное поле Земли и электрическое поле в грозовой туче постоянные.
Вещество построено из электронов и нуклонов (протонов и нейтронов). Последние в свою очередь состоят из кварков. Различного рода взаимодействия между частицами вещества осуществляются полями. Кванты полей, переносящих электромагнитное взаимодействие, представляют собой фотоны, гравитационное взаимодействие - гравитоны, сильное взаимодействие - глюоны, слабое взаимодействие - векторные бозоны.
В классической физике вещество и поле абсолютно противопоставлялись друг другу как два вида материи, у первого из которых структура дискретна, а у второго - непрерывна. Открытие в квантовой теории двойственной корпускулярно-волновой природы микрообъектов нивелирует это противопоставление. На этой основе были строго разделены категории вещества и материи, на протяжении многих веков отождествлявшиеся в философии и науке, причем философское значение осталось за категорией материи, а понятие вещество сохранило научный смысл в физике и химии. В земных условиях для веществ известны четыре состояния: твердые тела, жидкости, газы, плазма.
27. КЛАССИФИКАЦИЯ ЭЛЕМЕНТАРНЫХ ЧАСТИЦ
В узком смысле слова элементарными можно назвать частицы, у которых внутренняя структура никогда не наблюдалась. К ним относятся, например, электрон и фотон. Подавляющее большинство элементарных частиц(мезоны, барионы)обладают внутренней структурой.
В 1920-е гг. были известны две частицы - электрон и протон, а также два вида взаимодействий - гравитационное и электромагнитное. На их основе объяснялись все явления природы.
Можно выделить два основных потока открытий новых элементарных частиц. Первый приходится на 1930-1950-е гг., когда прежде всего были найдены нейтрон и позитрон. Позитрон - античастица по отношению к электрону; он подобен электрону во всем, но обладает положительным, а не отрицательным зарядом. При соударении электрона с позитроном, как и при соударении любой частицы с соответствующей ей античастицей, может произойти их аннигиляция, т. е. исчезновение частиц, причем их энергия превращается в другие формы.
Далее было обнаружено нейтрино. Сейчас известно несколько разновидностей нейтрино. Концепция существования нейтрино спасла несколько физических законов. Причем один тип взаимодействует только с электроном, а другой - только с р-мезоном. Существование мезонов было предсказано Х. Юкавой в 1935 г. В 1937 г. был открыт первый мезон, но не тот (р-мезон). Предсказанный же Юкавой мезон был открыт в 1947 г. (р-мезон). Он имеет отношение к ядерным взаимодействиям.
Второй поток открытий элементарных частиц пришелся на 1960-1965 гг. К концу этого периода число частиц превысило 200. Само понятие элементарности потеряло смысл, поскольку не существует критерия элементарности. Использование стабильности частиц или времени их жизни в качестве критерия оказалось неэффективным.
Стабильных (не самораспадающихся) элементарных частиц всего четыре: электрон, протон, фотон и все виды нейтрино. На основе этих частиц невозможно построить все остальные, обладающие способностью самопроизвольно распадаться. Среди этих частиц дольше всех живет свободный нейтрон, меньше всех - нейтральный ж-мезон (10-16с). В конце 1960 г. был открыт новый класс частиц, получивший название резонансов. Эти частицы живут крайне мало: порядка 10-23с.
Стабильность протона, электрона, фотона и нейтрино означает, что они могут претерпевать изменения лишь при взаимодействиях с другими частицами.
Следует особо подчеркнуть, что существование античастиц не гипотетично, а модели с их использованием не являются плодом фантазии физиков. В 1956 г. был открыт антинейтрон. Если электрон от позитрона и протон от антипротона отличаются прежде всего знаком зарядов, то чем различаются нейтрон и антинейтрон? Нейтрон не имеет электрического заряда, но имеет связанное с ним магнитное поле. Причина этого не совсем ясна, хотя установлено, что магнитное поле нейтрона ориентировано в одном направлении, а магнитное поле антинейтрона - в противоположном.
Античастицы имеют и другие фундаментальные свойства по сравнению с частицами. Так, при переходе от мира к антимиру меняются местами «право» и «лево» и одновременно меняются знаки всех зарядов. Время в антимире течет от будущего к прошлому, а не от прошлого к будущему, как в мире.
28. ПРОБЛЕМА ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ МЕГА- И МИКРОМИРА. БУДСТРАП-ПОДХОД
В современном естествознании все окружающие нас материальные объекты принять условно делить на микро-, макро- и мегамир. Одна из основных концепций естествознания говорит о единстве всех систем микро-, макро- и мегамира. Можно говорить о единой материальной основе происхождения всех материальных систем на разных стадиях эволюции Вселенной.
Материальные объекты микро-, макро- и мегамира отличаются не только своими геометрическими размерами, но и другими количественными характеристиками. Так, например, Солнце состоит из колоссального числа частиц: 1 056ядер атомов водорода и примерно такого же количества ядер атомов гелия.
Свойства и особенности материальных объектов микро- и мегамира описываются разными теориями, принципами, законами.
При объяснении процессов в микромире используются принципы и теории квантовой механики, квантовой статистики и т. п. Движение планет Солнечной системы описывается законом всемирного тяготения и законами Кеплера. Происхождение и эволюция Вселенной объясняются на основании комплекса естественно-научных знаний, включающих физику элементарных частиц, квантовую теорию поля, теорию относительности и т. п.
Материальные объекты образуют целостную систему лишь в том случае, если энергия связи между ними больше кинетической энергии каждого из них. Энергия связи - это та энергия, которую необходимо затратить, чтобы полностью «растащить» систему на отдельные ее составляющие. Величина энергии связи природных систем на различных уровнях организации материи зависит от вида взаимодействия и характера сил, объединяющих материальные объекты в систему. Например, существование в течение миллиардов лет звезд, в том числе и Солнца, обусловливается устойчивым равновесием между энергией взаимного гравитационного притяжения частиц, стремящегося сжать вещество звезды, и энергией их теплового движения, приводящего к его рассеиванию. Объединяющую роль в атомах и молекулах играет электромагнитное взаимодействие.
Существенное различие между материальными объектами микро- и макромира заключается в тождественности микрочастиц и индивидуальности мега-систем. Для микрочастиц выполняется принцип тождественности: состояния системы частиц, получающиеся друг из друга перестановкой частиц местами, нельзя различить ни в каком эксперименте. Такие состояния рассматриваются как одно физическое состояние. Этот квантово-механический принцип характеризует одно из основных различий между классической и квантовой механикой. В классической механике можно проследить за движением отдельных частиц по траекториям и таким образом отличить частицы одну от другой. В квантовой механике тождественные частицы полностью лишены индивидуальности. Однако в природе не существует двух совершенно одинаковых мегасистем - все они индивидуальны. Индивидуальность может проявляться и на молекулярном уровне. Например, молекулы этилового спирта и диме-тилового эфира имеют одинаковые атомный состав и мо-лекулярную массу, но различные химические и физические свойства. Такие вещества называются химическими изомерами. Нестабильные ядерные изомеры при одинаковом составе ядер имеют различные периоды полураспада.
29. ПРОБЛЕМА ПРОСТРАНСТВА И ВРЕМЕНИ
В классической механике был известен принцип относительности Галилея: если законы механики справедливы в одной системе координат, то они справедливы и в любой другой системе, движущейся прямолинейно и равномерно относительно первой. Такие системы называются инерциальными.
А. Эйнштейн использовал мысленный эксперимент, который получил название «поезд Эйнштейна»: «Представим себе наблюдателя, едущего в поезде и измеряющего скорость света, испускаемого фонарями на обочине дороги, т. е. движущегося со скоростью с в системе отсчета, относительно которой поезд движется со скоростью V. По классической теореме сложения скоростей наблюдатель, едущий в поезде, должен был бы приписать свету, распространяющемуся в направлении движения поезда, скорость с - V...». Однако скорость света выступает как универсальная постоянная природы.
Рассматривая это противоречие, А. Эйнштейн предложил отказаться от представления об неизменности свойств пространства и времени. Данный вывод противоречит здравому смыслу, так как мы не можем представить никакого пространства, кроме трехмерного, и никакого времени, кроме одномерного. Но главный критерий для науки - соответствие теории и эксперимента. Теория Эйнштейна удовлетворяла этому критерию и была принята.
Пространство и время традиционно рассматривались в науке как основные формы существования материи, ответственные за расположение отдельных элементов материи друг относительно друга и за закономерную координацию сменяющих друг друга явлений.
Характеристиками пространства считались однородность - одинаковость свойств во всех направлениях, и изотропность - независимость свойств от направления. Время также считалось однородным, т. е. любой процесс, в принципе, повторим через некоторый промежуток времени. С этими свойствами связана симметрия мира, которая имеет большое значение для его познания. Пространство рассматривалось как трехмерное, а время как одномерное и идущее в одном направлении - от прошлого к будущему. Время необратимо, но во всех физических законах от перемены знака времени на противоположный ничего не меняется, и, стало быть, физически будущее неотличимо от прошедшего.
В истории науки известны две концепции пространства: пространство неизменное как вместилище материи (взгляд И. Ньютона) и пространство, свойства которого связаны со свойствами тел, находящихся в нем (взгляд Лейбница). В соответствии с теорией относительности любое тело определяет геометрию пространства.
Из специальной теории относительности следует, что расстояние между двумя материальными точками и длительность происходящих в нем процессов являются не абсолютными, а относительными величинами. При приближении к скорости света все процессы в системе замедляются, продольные размеры тела сокращаются и события, одновременные для одного наблюдателя, оказываются разновременными для другого, движущегося относительно него.
Итак, пространство и время - общие формы координации материальных явлений, а не самостоятельно существующие независимо от материи начала бытия.
Найденное А. Эйнштейном объединение принципа относительности Галилея с относительностью одновременности получило название принципа относительности Эйнштейна.
30. ПРОБЛЕМА ПОСТРОЕНИЯ ЕДИНОЙ ТЕОРИИ ПОЛЯ
Единая теория поля - это единая теория материи, призванная свести все многообразие свойств элементарных частиц и их взаимодействий к небольшому числу уникальных принципов. Такая теория еще не построена и рассматривается скорее как стратегия развития физики микромира.
Первым примером объединения различных физических явлений (электромагнитных, световых) принято считать уравнения Максвелла.
В специальной теории относительности свойства пространства и времени рассматриваются без учета гравитационных полей, которые не являются инер-циальными. Общая теория относительности распространяет выводы специальной теории относительности на все, в том числе на неинерциальные системы. Общая теория относительности связала тяготение с электромагнетизмом и механикой. Она заменила ньютонов механистический закон всемирного тяготения на полевой закон тяготения. И здесь физика перешла от вещественной к полевой теории.
Три века физика была механистической и имела дело только с веществом. Но «уравнения Максвелла описывают структуру электромагнитного поля. Ареной этих законов является все пространство, а не одни только точки, в которых находится вещество или заряды, как это имеет место для механических законов». Представление о поле победило механицизм. Уравнения Максвелла «не связывают, как это имеет место в законах Ньютона, два широко разделенных события, они не связывают события здесь с условиями там. Поле здесь и теперь зависит от поля в непосредственном соседстве в момент, только что протекший» (А. Эйнштейн, Л. Инфельд). Это существенно новый момент полевой картины мира.
Электромагнитные волны распространяются со скоростью света в пространстве, и аналогичным образом действует гравитационное поле.
Массы, создающие поле тяготения, по общей теории относительности искривляют пространство и меняют течение времени. Чем сильнее поле, тем медленнее течет время по сравнению с течением времени вне поля. Тяготение зависит не только от распределения масс в пространстве, но и от их движения, от давления и натяжений, имеющихся в телах, от электромагнитного и других физических полей. Изменения гравитационного поля распределяются в вакууме со скоростью света. В теории Эйнштейна материя влияет на свойства пространства и времени.
Таким образом, А. Эйнштейн пытался объединить электромагнитные и гравитационные явления на основе общей теории относительности, связывающей гравитационные взаимодействия материи с геометрическими свойствами пространства-времени.
В начале 1970-х гг. была построена объединенная теория слабого и электромагнитного взаимодействий. После этого выдвинули ряд предположений, что при относительно больших энергиях взаимодействующих частиц или при чрезвычайно высокой температуре материи все четыре фундаментальных взаимодействия (гравитационное, электромагнитное, сильное и слабое) характеризуются одинаковой силой (Великое объединение).
Таким образом, единая теория поля остается пока мечтой. Однако неразрывная связь между всеми частицами и их взаимопревращаемость заставляют с неослабевающей настойчивостью искать пути подхода к единой теории электромагнитного поля, призванной объяснить все многообразие форм материи.
31. УНИВЕРСАЛЬНЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ МОДЕЛИ КОРПУСКУЛЫ
Корпускула - это частица в классической физике. В качестве корпускулы будем рассматривать молекулу - наименьшую частицу вещества, обладающую его основными химическими свойствами и состоящую из атомов, соединенных между собой химическими связями. Число атомов в молекуле составляет от двух (Н2) до сотен и тысяч (некоторые витамины, белки). Если молекула состоит из тысяч и более повторяющихся единиц (одинаковых или близких по строению групп атомов), то ее называют макромолекулой.
В физике представление о молекуле возникло в XVIII в. и получило широкое признание в XIX в. в связи с развитием термодинамики и теории газов и жидкостей. Во второй половине XIX в. с помощью различных химических методов были получены многие важные сведения о строении молекул.
Атомы в молекуле связаны между собой в определенной последовательности и определенным образом расположены в пространстве. Наиболее общие характеристики молекул - молекулярная масса, состав и структурная формула, указывающая последовательность химических связей. Прочность межатомной связи характеризуется энергией химической связи, которая составляет обычно несколько десятков кДж/моль. Атомы в молекуле непрерывно совершают колебательные движения. Молекулы, как и атомы, не имеют четких границ. Размеры молекулы можно ориентировочно оценить, зная плотность вещества, молекулярную массу и число Авогадро. Так, если допустить, что молекула Н^О имеет сферическую форму, то диаметр ее окажется равным примерно 3 х 10-8см. Размеры молекулы растут с увеличением числа атомов в них и лежат в пределах 10-8- 10-5см. Молекулу нельзя увидеть невооруженным глазом или с помощью оптического микроскопа, однако существование молекул доказывают многочисленные явления.
Устойчивость молекул в среде зависит от ее взаимодействия с другими атомами, а также от температуры, давления и других внешних факторов. В газообразном состоянии вещество, как правило, состоит из молекул. При достаточно высоких температурах молекулы всех газов распадаются на атомы. Вода во всех агрегатных состояниях состоит из молекул; из молекул построены большинство жидкостей и молекулярные кристаллы. В металлах и других атомных кристаллах, а также их расплавах молекулы, как правило, не существуют, так как в них каждый атом взаимодействует со всеми соседними приблизительно одинаково.
Можно рассматривать в качестве корпускулы и атом - часть вещества микроскопических размеров и массы, наименьшая часть химического элемента, являющаяся носителем его свойств. Каждому химическому элементу соответствует определенный род атомов, обозначаемый химическим символом. Атомы существуют в свободных (в газе) и связанных состояниях. Связываясь друг с другом непосредственно или в составе молекул, атомы образуют жидкие и твердые тела. Все физические и химические свойства атома определяются особенностями его строения.
Атом состоит из тяжелого ядра, обладающего положительным электрическим зарядом, и окружающих его легких частиц - электронов с отрицательными электрическими зарядами, образующих электронные оболочки атомов. Заряд ядра - основная характеристика атома, обусловливающая его принадлежность к определенному элементу.
32. МАССА КАК МЕРА ИНЕРТНОСТИ И ГРАВИТАЦИИ
Масса является одной из основных характеристик материи, определяющих ее инерционные и гравитационные свойства. Понятие «масса» было введено в механику Исааком Ньютоном в определении импульса тела - импульс р пропорционален скорости свободного движения тела: p=mv
- где коэффициент пропорциональности m - постоянная для данного тела величина, его масса. Эквивалентное определение массы получается из уравнения движения классической механики Ньютона: f = ma
Здесь масса - коэффициент пропорци ональности между действующей на тело силой f и вызываемым ею ускорением а. Определенная таким образом масса характеризует свойства тела, являющиеся мерой его инерции (чем больше масса тела, тем меньшее ускорение оно приобретает под действием постоянной силы), и называется инерциальной, или инертной, массой.
В теории гравитации Ньютона масса выступает как источник поля тяготения. Каждое тело создает поле тяготения, пропорциональное массе тела, и испытывает воздействие поля тяготения, создаваемого другими телами, сила которого также пропорциональна массе. Это поле вызывает притяжение тел с силой, определяемой законом тяготения Ньютона:
F = (m1m2) /r2 где r-расстояние между центрами масс тел, G- универсальная гравитационная постоянная, а m1 m2-массы притягивающихся тел. Масса, определяемая таким соотношением, называется гравитационной. Согласно данному определению закона всемирного тяготения, в принципе, возможно, например, измерить гравитационное ускорение, которое вызывает эталонмассой в 1 кг, и всякому объекту, вызывающему такое же ускорение на том же расстоянии, можно приписать массу в 1 кг.
Определения инертной и гравитационной масс на первый взгляд весьма различны. Инертная масса, характеризующая способность тела «сопротивляться» внешним воздействиям, играет пассивную роль, гравитационная же масса порождает притяжение, т. е. является активным началом.
На протяжении сотен лет ученых волновал вопрос: эквивалентны ли эти два понятия? Классический опыт проверки эквивалентности инертной и гравитационной масс осуществил И. Ньютон:
«Я испытывал золото, серебро, свинец, стекло, песок, поваренную соль, дерево, воду и пшеницу. Я достал два одинаковых ящика. Я наполнил один из них деревом, а в центре качаний другого поместил такого же (насколько точно я мог) веса кусок золота. Подвешенные на нитях длиной 11 футов ящики образовали пару маятников, совершенно одинаковых по весу и форме и одинаково подверженных сопротивлению воздуха; поместив их рядом, я наблюдал, как они качались совместно взад и вперед в течение длительного времени с одинаковыми колебаниями. И потому количество вещества в золоте относилось к количеству вещества в дереве как действие движущей силы на все дерево; другими словами, как вес одного к весу другого.
И с помощью этих опытов в телах одинакового веса можно было обнаружить различие в количествах вещества, составляющее одну тысячную общего количества».
В настоящее время эквивалентность гравитационной и инертной масс доказана с точностью до 10-12.
33. ПРИНЦИП ЭКВИВАЛЕНТНОСТИ
Самой важной особенностью поля тяготения является то, что тяготение совершенно одинаково действует на разные тела, сообщая им одинаковые ускорения независимо от массы, химического состава и других свойств тел. Так, на поверхности Земли все тела падают под влиянием ее поля тяготения с одинаковым ускорением - ускорением свободного падения. Этот факт был установлен опытным путем итальянским ученым Галилео Галилеем и может быть сформулирован как принцип строгой пропорциональности гравитационной массы тг, определяющей взаимодействие тела тяготения и входящей в закон тяготения Ньютона, и инертной массы m, определяющей сопротивление тела действующей на него силе и входящей во второй закон механики Ньютона. Уравнение движение тела в поле тяготения записывается в виде:
m1 ? m2 = F ? m ? g
Таким образом, тела разной массы и природы движутся в заданном поле тяготения совершенно одинаково, если их начальные скорости одинаковы. Этот факт показывает глубокую аналогию между движением тел в поле тяготения и движением тел в отсутствии тяготения, но относительно ускоренной системы отсчета. Так, в отсутствии тяготения тела разной массы движутся по инерции прямолинейно и равномерно. Если наблюдать эти тела, например, из кабины космического корабля, который движется вне поля тяготения с постоянным ускорением за счет работы двигателя, то по отношению к кабине все тела будут двигаться с постоянным ускорением, равным по величине и противоположным по направлению ускорению корабля. Движение тел будет таким же, как падение с одинаковым ускорением в постоянном однородном поле тяготения. Силы инерции, действующие в ускоренном космическом корабле, летящем с ускорением, равным ускорению свободного падения у поверхности Земли, неотличимы от сил гравитации, действующих в истинном поле тяготения в корабле, стоящем на поверхности Земли. Следовательно, силы инерции в ускоренной системе отсчета (связанной с космическим кораблем) эквивалентны гравитационному полю. Этот факт выражается принципом эквивалентности Эйнштейна. Согласно этому принципу можно осуществить и процедуру, обратную описанной выше имитации поля тяготения ускоренной системой отсчета, а именно: можно «уничтожить» в данной точке истинное гравитационное поле введением системы отсчета, движущейся с ускорением свободного падения. Так, в кабине космического корабля, свободно (с выключенными двигателями) движущегося вокруг Земли в ее поле тяготения, наступает состояние невесомости и не проявляются силы тяготения.
А. Эйнштейн предположил, что не только механическое движение, но и вообще все физические процессы в истинном поле тяготения и в ускоренной системе в отсутствии тяготения протекают по одинаковым законам.
34. ПРИНЦИПЫ ОТНОСИТЕЛЬНОСТИ
В любых инерциальных системах отсчета (ИСО) вс механические явления протекают одинаково при од! наковых начальных условиях. Это утверждение н; зывается принципом относительности Галилея.
Рассмотрим пример. Пусть от Земли со скс ростьюи в космическом пространстве движется ко(мический корабль. С какой скоростью относительн космонавтов будет распространяться свет от исто' ника, находящегося на Земле? Скорость света в ИС «Земля» равна с, тогда как в ИСО «корабль», удаляк щейся от Земли со скоростью и, скорость света г классическому закону сложения скоростей должн быть равна V = c-u.
Получается, что распространение света в вакуум происходит неодинаково в разных ИСО, т. е. при! цип относительности неприменим.
После установления электромагнитной природ света ученые предприняли попытки обнаружить фа: движения Земли в опытах со световыми волнам Опыты Майкельсонав 1881 г. показали, что скорос! света в вакууме постоянна и одинакова во всех ИСО Два опытных факта - постоянство скорости свет и независимость законов физики от выбора ИСО казались несовместимыми, так как факт постоянстЕ скорости света в разных ИСО прямо противоречи классическому закону сложения скоростей.
Выход из сложившегося в физике положения, пр котором опытные факты не могли получить посл довательного теоретического описания, был найде Альбертом Эйнштейном в 1905 г.
В основу своей теории относительности А. Эйнштейн положил два постулата - обобщения: - принцип относительности - любые физически процессы протекают одинаково в различных ИСО (при одинаковых начальных условиях);
- принцип постоянства скорости света - скорость света в вакууме не зависит от скорости движения источника и наблюдателя.
Принятие двух постулатов привело к необходимости коренных изменений в представлениях о свойствах пространства и времени, принятых в физике, до создания теории относительности - классической физики. Явления, описываемые теорией относительности, но необъяснимые с позиций классической физики, называются релятивистскими (от лат. relativus - «относительный») явлениями или эффектами.
Релятивистский закон сложения скоростей.
Если тело движется со скоростью
в одной системе отсчета, то в другой системе отсчета, относительно которой первая система отсчета движется со скоростью скорость тела определяется выражением:
Зависимость массы тела от скорости. Сохраняющаяся при любых взаимодействиях тел величина называется релятивистским импульсом, равным произведению релятивистской массы тела на скорость его движения:
Релятивистская масса тела возрастает с увеличением скорости по закону:
где m0 - масса покоя тела, v - скорость его движения. Возрастание массы тела с увеличением скорости приводит к тому, что ни одно тело с массой покоя, не равной нулю, не может достигнуть скорости, равной скорости света в вакууме.
Закон взаимосвязи массы и энергии. При любых взаимодействиях изменение полной энергии тела равно произведению изменения массы ?m квадрат скорости света в вакууме:?? = ?m ? c2
35. ИНВАРИАНТНОСТЬ И СОХРАНЕНИЕ МАССЫ
Свойство тела, от которого зависит его ускорение при взаимодействии с другими телами, называется инертностью. Количественной мерой инертности тела является масса тела. Чем большей массой обладает тело, тем меньшее ускорение оно получает при взаимодействии.
Отношение масс взаимодействующих тел равно обратному отношению модулей ускорений:
m1/m2 = a2/a1
За единицу массы в Международной системе принята масса эталона, изготовленного из сплава платины и иридия, называемая килограммом (кг).
Массу mm любого тела можно найти, осуществив взаимодействие этого тела с эталонной массой mm.
Измерив модули ускорений am тела и aэm эталона, можно найти отношение массы тела к массе эталона mm:
mm/mэm = aэm/am
Масса тела может быть выражена через массу эталона mm:
mm = mэm ? (aэm/am)
Масса тела - это физическая величина, характеризующая инертность.
Вес - это сила, с которой тело вследствие притяжения к Земле или другой планете давит на опору.
Вес зависит не только от самого тела. К примеру, вес тела на Земле отличается от веса тела на Луне в 6 раз; на полюсе тело весит на 0,5 % больше, чем на экваторе. При поднятии тела над земной поверхностью в одном каком<нибудь пункте вес становится все меньше и меньше, а тяготеющая масса не изменяется, так как она является характеристикой тела, а не его положения. Отношение весов двух тел в одной и той же точке Земли в любых условиях остается неизменным. В отличие от веса масса является неизменным свойством тела, не зависящим ни от чего, кроме как от этого тела.
Тяготеющая (гравитационная) масса - это один из факторов, от которых зависит сила взаимного притяжения двух тел, что и выражено формулой закона всемирного тяготения:
Здесь m - масса одного тела; M - масса другого тела, а r - расстояние между ними.
Инертная же масса, от которой зависит ускорение a, получаемое телом под действием силы, входит в формулу второго закона Ньютона F = ma.
В применении к свободному падению под действием силы тяжести эта формула принимает вид: P = mg, где P - вес, а g - ускорение силы тяжести. Эту же формулу мы можем получить из формулы закона всемирного тяготения, придав ей вид
и положив
где теперь будет характеристикой поля тяготения тела с массой M (Земля, Луна) на расстоянии r от центра масс.
Следует упомянуть, что по аналогии с законом сохранения заряда существует закон сохранения массы.
Масса любой замкнутой физической системы, в которой отсутствует поток массы как внутрь системы, так и наружу, с течением времени остается постоянной.
Если растворить сахар в воде, то масса раствора будет строго равна сумме масс сахара и воды. При любом дроблении и при растворении масса остается одной и той же. То же самое имеет место и при любых химических превращениях.
При взвешивании для определения массы используется способность всех тел взаимодействовать с Землей. Тела, обладающие одинаковой массой, одинаково притягиваются к Земле.
Если взять два тела с массами m1 и m2, соединить их и измерить массу получившегося тела, то его масса m3 оказывается равной сумме масс m1 и m2 этих тел:
m3 = m1+ m2. Это позволяет определить массу тел уравновешиванием с помощью набора гирь на равноплечих весах.
36. СКОРОСТЬ, ИМПУЛЬС И КИНЕТИЧЕСКА ЭНЕРГИЯ ДЛЯ МЕДЛЕННЫХ ДВИЖЕНИЙ
Медленными считаются движения, совершаемые со скоростью, гораздо меньшей скорости света ? »c
Для количественной характеристики процесса движения тела вводится понятие скорости движения.
Мгновенной скоростью поступательного движения тела в момент времени t называется отношение очень малого перемещения ?S к малому промежутку времени ?t за которое произошло это перемещение:
? = ?S/?t
Мгновенная скорость - векторная величина.
При последовательном уменьшении длительности промежутка времени t направление вектора перемещения приближается к касательной траектории движения, через которую проходит тело в момент времени t. Поэтому вектор скорости V лежит на касательной к траектории движения тела и направлен в сторону движения тела.
1 м/с равен скорости прямолинейно и равномерно движущейся точки, при которой точка за время 1 с перемещается на расстояние 1 м. Покой и движение тела относительны, скорость движения тела зависит от выбора системы отсчета. Изменение скорости движения тела может происходить только при действии силы, т. е. в результате взаимодействия с другими телами. Если на тело массой m в течение времени t действует сила F и скорость его движения изменяется от до, то ускорение движения тела равно:
На основании второго закона Ньютона для силы можно написать выражение:
Из этого равенства следует, что:
Физическая величина, равная произведению силы F на время t ее действия, называется импульсом силы. Имеется физическая величина, одинаково изменяющаяся у всех тел под действием одинаковых сил, если время действия силы одинаково.
Эта физическая величина, равная произведению массы тела на скорость его движения, называется импульсом тела или количеством движения. Изменение импульса тела равно импульсу силы, вызывающей это изменение. Импульс тела является количественной характеристикой поступательного движения тел. В замкнутой инерциальной системе геометрическая сумма импульсов тел остается постоянной при любых взаимодействиях тел этой системы между собой.
Пусть на тело массой m действует постоянная сила F и векторы силы F и перемещения направлены вдоль одной прямой в одну сторону. Работа силы в этом случае определяется как A = Fs. Модуль силы по второму закону движения равен F = ma, а модуль перемещения при равноускоренном прямолинейном движении связан с модулями начальной и конечной скорости и ускорения выражением:
Отсюда для работы получаем:
Физическая величина, равная половине произведения массы тела на квадрат его скорости, называется кинетической энергией тела.
Тогда выражение для работы можно записать в виде:
A = Ek2 - Ek1
37. ПОНЯТИЕ ЭНТРОПИИ
Одним из важных законов термодинамики считается закон энтропии.
Понятие энтропии характеризует ту часть полной энергии системы, которая не может быть использована для производства работы. Поэтому в отличие от свободной энергии она представляет собой деградированную, отработанную энергию. Если обозначить свободную энергию через F, энтропию через S, то полная энергия системы Е будет равна Е = F+ ВТ, где Т - абсолютная температура по Кельвину.
Согласно второму закону термодинамики энтропия в замкнутой системе постоянно возрастает и в конечном счете стремится к своему максимальному значению. Следовательно, по степени возрастания энтропии можно судить об эволюции замкнутой системы, а тем самым и о времени ее изменения. Так впервые в физическую науку были введены понятия времени и эволюции, связанные с изменением систем. Но понятие эволюции в классической термодинамике рассматривается совсем иначе, чем в общепринятом смысле. Это стало вполне очевидным после того, когда немецкий ученый Л. Баяьцман(1844-1906) стал интерпретировать энтропию как меру беспорядка (хаоса) в системе.
Таким образом, второй закон термодинамики можно было теперь сформулировать так: замкнутая система, предоставленная самой себе, стремится к достижению наиболее вероятного состояния, заключающегося в ее максимальной дезорганизации. Хотя чисто формально дезорганизацию можно рассматривать как самоорганизацию с отрицательным знаком или самодезорганизацию, тем не менее такой взгляд ничего общего не имеет с содержательной интерпретацией самоорганизации как процесса становления качественно нового, более высокого уровня развития системы. Но для этого необходимо было отказаться от таких далеко идущих абстракций, как изолированная система и равновесное состояние.
Между тем классическая термодинамика именно на них как раз и опиралась и поэтому рассматривала, например, частично открытые системы или находящиеся вблизи от точки термодинамического равновесия как вырожденные случаи изолированных равновесных систем.
Наиболее фундаментальным из таких понятий, как уже отмечалось выше, стало понятие открытой системы, которая способна обмениваться с окружающей средой веществом, энергией и информацией. Поскольку между веществом и энергией существует взаимосвязь, можно сказать, что система в ходе своей эволюции производит энтропию, которая, однако, не накапливается в ней, а удаляется и рассеивается в окружающей среде. Вместо нее из среды поступает свежая энергия и именно вследствие такого непрерывного обмена энтропия системы может не возрастать, а оставаться неизменной или даже уменьшаться. Отсюда становится ясным, что открытая система не может быть равновесной, потому ее функционирование требует непрерывного поступления энергии и вещества из внешней среды, вследствие чего неравновесие в системе усиливается. В конечном итоге прежняя структура разрушается. Между элементами системы возникают новые когерентные, или согласованные, отношения, которые приводят к кооперативным процессам. Так, схематически могут быть описаны процессы самоорганизации в открытых системах, которые связаны с диссипацией, или рассеянием, энтропии в окружающую среду.
38. РЕЛЯТИВИСТСКИЙ ИМПУЛЬС И ПОЛНАЯ РЕЛЯТИВИСТСКАЯ ЭНЕРГИЯ. ЭНЕРГИЯ ПОКОЯ
В основе теории относительности Эйнштейна лежит два постулата, являющихся обобщением опытных фактов.
1. Принцип относительности - при одинаковых начальных условиях любые физические процессы протекают одинаково в различных инерциальных системах отсчета (ИСО).
2. Принцип постоянства скорости света - скорость света в вакууме не зависит от скорости движения источника и наблюдателя.
Эти два постулата в корне изменили представления о свойствах пространства и времени, которые существовали в физике до создания теории относительности - классической физики. Явления, описываемые теорией относительности, но не объяснимые с позиций классической физики, называются релятивистскими (от лат. relativus - «относительный») явлениями, или эффектами.
Из двух постулатов теории относительности вытекают как следствия выводы о зависимости длительности интервалов времени и длин отрезков от выбора инерциальной системы отсчета.
Зависимость свойств пространства и времени от движения системы отсчета приводит к тому, что сохраняющейся при любых взаимодействиях тел является величина:
называемая релятивистским импульсом, - произведение релятивистской массы тела на скорость его движения. В замкнутой инерциальной системе геометрическая сумма релятивистских импульсов тел остается постоянной при любых взаимодействиях тел этой системы между собой. Классический закон сложения скоростей и классический закон сохранения импульса являются частными случаями универсальных релятивистских законов и выполняются только при значениях скоростей, значительно меньших скорости света в вакууме.
Релятивистская масса тела возрастает с увеличением скорости по закону:
где m0 масса покоя тела, v - скорость его движения. Возрастание массы тела с увеличением скорости приводит к тому, что ни одно тело с массой покоя, не равной нулю, не может достигнуть скорости, равной скорости света в вакууме, или превысить эту скорость.
Закон взаимосвязи массы и энергии. Из экспериментально установленного факта зависимости массы тел от скорости их движения следует, что масса тела и его энергия взаимно связаны. При любых взаимодействиях изменение полной энергии тела равно произведению изменения массы на квадрат скорости света в вакууме: v «с.
?E = m?c2, Это универсальный закон природы, называемый законом взаимосвязи массы и энергии. На основании открытия взаимосвязи массы и энергии тела Альберт Эйнштейн высказал предположение о том, что любое тело, имеющее массу покоя, обладает энергией в соответствии с уравнением E0 = m0c2
Эту энергию он назвал энергией покоя, или собственной энергией тела. Полная энергия движущегося тела равна произведению его массы на квадрат скорости света: E = mc2
2 Полная энергия движущегося тела складывается из энергии покоя и кинетической энергии, поэтому точное релятивистское выражение для кинетической энергии тела имеет вид:
Е = E0 + Еk, Еk = Е- Е0,Еk = mc2- m0c2
39. КЛАССИЧЕСКАЯ МЕХАНИКА
Классическая механика изучает механические движения тел со скоростями, много меньшими скорости света в вакууме.
Механическим движением тела называется изменение его положения в пространстве относительно другихтел с течением времени.
Линия, по которой движется точка тела, называется траекторией движения. Длина траектории называется пройденным путем. Вектор, соединяющий начальную и конечную точки траектории, называется перемещением.
Движение тела, при котором все его точки в данный момент времени движутся одинаково, называется поступательным движением. Для описания поступательного движения тела достаточно выбрать одну точку и описать ее движение.
Движение тела, при котором траектории всех точек тела являются окружностями с центрами на одной прямой и все плоскости окружности перпендикулярны этой прямой, называется вращательным движением.
Тело, размерами которого в данных условиях движения можно пренебречь, называют материальной точкой.
Тело можно рассматривать как материальную точку, если его размеры малы по сравнению с расстоянием, которое оно проходит, или по сравнению с расстоянием от него до других тел.
Чтобы описать механическое движение тела (точки), нужно знать его координаты в любой момент времени. Для определения координат материальной точки следует прежде всего выбрать тело отсчета и связать с ним систему координат. В механике часто телом отсчета служит Земля, с которой связывается прямоугольная декартова система координат. Для определения положения материальной точки в любой момент времени необходимо также задать начало отсчета времени. Система координат, тело отсчета, с которым она связана, и указание начала отсчета времени образуют систему отсчета, относительно которой рассматривается движение тела.
Траектория движения тела, пройденный путь и перемещение зависят от выбора системы отсчета, т. е. механическое движение относительно.
Для количественной характеристики процесса движения тела вводится понятие скорости движения.
Мгновенной скоростью поступательного движения тела в момент времени t называется отношение очень малого перемещения ?s к малому промежутку времени ?t, за который произошло это перемещение:
Мгновенная скорость - векторная величина. При последовательном уменьшении длительности промежутка времени направление вектора перемещения приближается к касательной траектории движения, через которую проходит тело в момент времени. Поэтому вектор скорости лежит на касательной к траектории движения тела и направлен в сторону движения тела.
Движение с постоянной по модулю и направлению скоростью называется равномерным прямолинейным движением. При равномерном прямолинейном движении тело движется по прямой и за любые равные промежутки времени проходит одинаковые пути.
Движение, при котором тело за равные промежутки времени совершает неодинаковые перемещения, называют неравномерным движением.
Процесс изменения скорости тела характеризуется ускорением. Ускорением называется векторная величина, равная отношению очень малого изменения вектора скорости к малому промежутку времени, за которое произошло это изменение:
Равноускоренным называется движение с ускорением, постоянным по модулю и направлению: а = const.
40. ПРОБЛЕМА РЕАЛЬНОСТИ В КВАНТОВОЙ ФИЗИКЕ
Классическая механика в микромире и для околосвет-ных скоростей неприменима. Релятивистская физика, основанная на теории относительности, применима к скоростям, близким к скорости света, а квантовая - к миру атомов и элементарных частиц.
Рассмотрим релятивистскую формулу массы:
где m 0 - масса покоя тела, v - скорость его движения. При уменьшении отношения до нуля, что может быть достигнуто или при v = 0 (покой), или при c = БЕСКОНЕЧНОСТИ(идея мгновенного распространения света), масса становится величиной постоянной m = m0, как это и признавалось в классической механике до А. Эйнштейна.
Известное соотношение E=m ? c2дает для массы то же переменное значение: m = E/c2
Скорость света есть величина постоянная, но сообщаемая телу извне энергия должна сказываться на величине массы. Релятивистская формула сложения скоростей в случае движения со скоростью света (фотон, нейтрино) приводит к выводу:
т. е. два фотона, обладающих каждый скоростью с, при движении навстречу друг другу сближаются не со скоростью с2как этого требовал бы здравый смысл, а все с той же скоростью с.
Если в релятивистской физике границы применимости были связаны с огромностью и постоянством скорости света (с = 300 000 км/с), то в квантовой механике границы применения классической физики связаны с малостью постоянной Планка (h= 6,62 ? 1 0-27эрг ? с).
Волновые свойства материи, которые не рассматривает классическая физика, характеризуются длиной волны де Бройля:
Чем короче длина волны, тем больше импульс - основная характеристика материальной частицы, и, наоборот, увеличение импульса (или скорости) приводит к уменьшению длины волны, т. е. уменьшению волновых свойств. Для микромира с его частицами малой массы длина волны достигает размеров, позволяющих измерить ее и обнаружить волновую природу частиц (явление дифракции). В макромире вследствие чрезвычайной малости hдлина волны получается исчезающе-малой.
Так, если человек средней массы идет со скоростью 5 км/ч, то длина соответствующей волны получается порядка 10-23см.
Математически соотношение неопределенности можно записать так:
?р?х = h где ?р и ?х - неточности (неопределенности) в значении импульса и координаты, а h=h/2? Записав ?р = mAv можно придать соотношению неопределенности иную форму:
?v?x = x/m
Если импульс частицы известен точно, то ?х = x/Q т.е. координаты совершенно неопределенны. В классической механике, где импульс и координаты вполне определены, соотношение выглядит так: ?р?х = 0. Чем ближе мы к этому предельному случаю, тем с большим правом можно применять законы классической механики. Для дробинки массой в 1 г такая неточность в макромире неощутима.
41. ДЕТЕРМИНИЗМ И ПРИЧИННОСТЬ В СОВРЕМЕННОЙ ФИЗИКЕ, ДИНАМИЧЕСКИЕ И СТАТИСТИЧЕСКИЕ ЗАКОНЫ
Что общего между прыгающим по земле мячиком, лазером, планетной системой, бурлящим потоком воды в ручье, биологической популяцией? Общее в том, что все эти объекты могут рассматриваться как динамические системы. Абстрагируясь от конкретной физической природы объекта, о нем говорят как о динамической системе, если можно указать такой набор величин, называемых динамическими переменными и характеризующих состояние системы, что их значения в любой последующий момент времени получаются из исходного набора по определенному правилу. Это правило задает, как говорят, оператор эволюции системы.
Например, для прыгающего мячика оператор эволюции определяется законами движения в поле тяжести и удара мячика о поверхность. Мгновенное состояние задается двумя величинами - расстоянием от земли и скоростью. Геометрически оно изображается как точка на фазовой плоскости, где эти две величины отложены, соответственно, по оси абсцисс и ординат. Изменение состояния во времени, или, для краткости, динамика системы, отвечает движению изображающей точки по определенной кривой - фазовой траектории. Если состояние системы задается набором N величин, динамику можно представить как движение точки по траектории в N-мерном фазовом пространстве.
Выделяют два класса динамических систем - консервативные (к ним относятся, например, механические колебательные системы в отсутствие трения) и диссипативные. Для диссипативных систем характерно то, что режим динамики, возникающий в системе, предоставленной себе в течение длительного времени, становится не зависящим от начального состояния (по крайней мере при вариации начальных условий в некоторых конечных пределах). Множество точек в фазовом пространстве диссипативной системы, посещаемых в установившемся режиме, называется аттрактором. Простые примеры аттракторов - устойчивое состояние равновесия и предельный цикл, отвечающий режиму периодических автоколебаний (замкнутая фазовая траектория, на которую наматываются все близкие траектории).
Замечательным достижением теории динамических систем стало открытие хаотической динамики. Возникновение хаоса кажется на первый взгляд несовместимым с определением динамической системы, подразумевающим возможность однозначного предсказания конечного состояния по исходному. На самом деле противоречия нет. В хаотическом режиме сколь угодно малая неточность в задании начального состояния системы быстро нарастает во времени, так что предсказуемость становится недостижимой на достаточно больших интервалах времени. Такого рода режимы характеризуются нерегулярным, хаотическим изменением динамических переменных во времени. В фазовом пространстве диссипативных систем им отвечают странные аттракторы - сложно устроенные множества, демонстрирующие все более тонкую структуру на разных уровнях ее разрешения.
Первая линия развития, которая вела к представлениям о динамическом хаосе, связана с небесной механикой. Основоположниками классической механики принято считать И. Ньютона, Ж.Л. Лагранжа, П.С. Лапласа, У.Р. Гамильтона. Они сформировали представления о том, что мы сейчас называем гамильтоновой, или консервативной, динамической системой.
42. СОВРЕМЕННЫЕ НАУКИ О КОСМОСЕ
Интенсивные исследования около земного космического пространства и объектов - планет Солнечной системы с помощью автоматических и пилотируемых космических аппаратов во второй половине XX в. привели к возникновению целого ряда новых наук о космосе. Во-первых, это космическая биология, изучающая процессы прорастания семян растений, развитие растений в условиях невесомости и ограниченного пространства на борту пилотируемых космических аппаратов, а также автоматических космических станций. В последующие годы продолжались биологические исследования на пилотируемых орбитальных станциях.
Почти одновременно с космической биологией возникла и развивалась космическая медицина, которая была крайне необходимой при подготовке космонавтов на Земле, а также при полетах пилотируемых космических кораблей и станций. Космическая медицина проводила исследования в области функционирования сердечно-сосудистой системы, головного мозга, системы кроветворения, системы пищеварения у космонавтов в предпилотном режиме и затем во время полетов на орбитальных станциях.
С увеличением объемов и веса запускаемых космических аппаратов началось развитие космической астрономии. Астрономы получили возможность вести наблюдения в космосе с борта орбитальных станций, в том числе долговременных типа «Мир», а затем Международной космической станции. В результате астрономия получила много новых данных по «ближнему» и «дальнему» космосу. Астрономические наблюдения с космических аппаратов позволяют выявить на раннем этапе приближение крупных космических тел к Земле - метеоритов, астероидов, комет - и предупредить о возможном столкновении с ними, а это очень важно для обеспечения безопасности землян.
С началом космической эры, когда на Луне были проложены первые геологические маршруты, ученые-геологи получили много полезной и ценной информации. Для анализа и обобщения этой информации возникла необходимость в создании нового направления в геологической науке - космической геологии. Космические методы предоставили геологам богатейшие сведения, позволяющие в глобальном масштабе изучать строение земной поверхности, решать проблемы теоретической геологии и выявлять закономерности размещения полезных ископаемых.
Космическая геология способствует поиску минеральных богатств Земли. Она позволяет детально изучать труднодоступные районы земной поверхности.
Прогресс в развитии космической техники позволил вплотную подойти к изучению геологии отдельных планет Солнечной системы и выделить новую отрасль естествознания - сравнительную планетологию, т. е. научное направление, которое должно заниматься сравнительным анализом геологического строения планет и Земли.
Одновременно с космической геологией шло становление и развитие космической метеорологии, которая занималась исследованием атмосферы Земли, Венеры, Марса и других планет Солнечной системы и их спутников. По данным космических исследований с помощью АМС серии «Венера» установлен газовый состав венерианской атмосферы.
На основе этих исследований возникла космическая экология, которая стала изучать последствия антропогенного воздействия на «ближний» космос, т. е. околоземное пространство.
43. ПРОБЛЕМА ВОЗНИКНОВЕНИЯ ВСЕЛЕННОЙ
Во второй половине XX в. в результате космических исследований учеными было открыто космологическое реликтовое излучение, позволившее заглянуть в далекое прошлое нашей Вселенной. Еще раньше было обнаружено красное смещение, вызванное разбеганием галактик, составляющих Вселенную. Это открытие приводит к удивительному результату: примерно 20 млрд лет назад вся Вселенная была сосредоточена в очень маленькой области. Вселенная тогда представляла собой одну гигантскую «каплю» ядерной или даже сверхъядерной плотности. По каким-то причинам «капля» пришла в неустойчивое состояние и взорвалась. Последствия этого взрыва и наблюдаются сейчас как разлет системы галактик.
Космологическое значение фонового реликтового излучения ученые использовали в качестве самого главного ключа к разгадке возникновения Вселенной и пришли к теории, предложенной Г. А. Гамовымза десять лет до этого. Г.Аа. Гамовутверждал, что некоторые химические элементы были созданы в первые минуты Большого взрыва. И как следствие этого, повсюду должно было сохраниться первичное излучение. Вследствие космологического расширения оно должно было «охладиться» до температуры около 10 °К. Теория Гамова была предана забвению, когда астрофизики пришли к заключению, что элементы тяжелее гелия не могли синтезироваться в сколько-нибудь заметном количестве в ходе Большого взрыва. Однако стало очевидным, что Большой взрыв обеспечивает условия, в которых был вполне вероятен синтез гелия. Советские астрофизики А. Г. Дорошкевич и И. Д. Новиков в своей работе (появившейся за год до открытия Пензиаса и Вилсона в лаборатории фирмы «Белл телефон») теоретически обосновали, что первичное (фоновое) излучение может быть обнаружено в сантиметровом диапазоне длин волн, и отмечено, что это явилось бы доказательством «горячего» начала расширения Вселенной.
Если проследить историю Вселенной, то температура космического фонового излучения должна расти. Во все более ранние моменты времени излучение оказывается все горячее, а Вселенная - все более плотной (вплоть до того момента, когда могло возникнуть это излучение). Открытие космического фонового излучения рассматривается учеными как одно из самых успешных подтверждений теории Большого взрыва.
Расчеты, выполненные астрофизиками, свидетельствуют о том, что вскоре после начала расширения вещество Вселенной имело очень высокую температуру и состояло из элементарных частиц - нуклонов и их античастиц. По мере расширения изменялись не только температура и плотность вещества, но и состав входящих в него частиц, так как многие частицы и античастицы аннигилировали, порождая электромагнитные кванты излучения. Последних во Вселенной оказалось неизмеримо больше, чем атомов, из которых состоят звезды, планеты, диффузная материя. Согласно этой гипотезе, именуемой теорией «горячей» Вселенной, потребовалось всего лишь несколько минут, чтобы сверхплотное вещество превратилось в вещество с плотностью, близкой к плотности воды. Через несколько часов плотность стала сравнимой с плотностью нашего, земного воздуха, а сейчас, по истечении около 20 млрд лет, оценка средней плотности вещества во Вселенной приводит к значению порядка 10-28 кг/м3.
44. СТРУКТУРА ВСЕЛЕННОЙ
Космология изучает отдельные небесные тела, их системы, строение Вселенной в целом и происходящие в ней процессы. Основатель современной космологии А. А. Фридман сформулировал упрощенную математическую модель строения Вселенной, которая называется однородной и изотропной. Современные представления о крупномасштабной структуре Вселенной не противоречат такой модели. Структура и эволюция Вселенной наверняка гораздо сложнее упрощенных математических схем и моделей.
Исследования ученых показали, что Вселенная имеет крупномасштабную структуру. Она состоит из множества галактик - звездных систем. Причем галактики, подобно звездам, наблюдаются группами. Например, наша Галактика (в которую входит Солнечная система), Магеллановы Облака и еще около 20 небольших спутников нашей Галактики рассматриваются космологами как кратная система. Кратной оказалась и ближайшая к нам Туманность Андромеды, окруженная несколькими эллиптическими галактиками-спутниками. Наша Галактика и Туманность Андромеды входят в Местную группу - систему галактик, размеры которой достигают сотен тысяч парсек. Местная группа представляет собой сравнительно небольшую систему, так как существуют скопления, содержащие сотни и тысячи галактик. Ближайшее к Земле и Солнечной системе в целом скопление галактик находится в созвездии Девы и насчитывает сотни крупных галактик. Расстояние до него порядка 20 Мпк, это система диаметром более 6 Мпк. Крупные скопления галактик находятся в созвездиях Волосы Вероники, Северная Корона, Геркулес и др.
Данные внегалактической астрономии указывают на то, что, возможно, существует Местное сверхскопление галактик, насчитывающее примерно 10 тыс. галактик и имеющее диаметр около 50 Мпк. В его центре расположено скопление галактик в созвездии Девы. Открыто несколько десятков других сверхскоплений, причем два ближайших находятся от нас на расстоянии 100 Мпк.
Таким образом, Вселенной на самых разных уровнях присуща структурность: от ядер атомов до гигантских сверхскоплений галактик.
В конце 70-х гг. XX в. астрономы обнаружили, что галактики в сверхскоплениях не распределены равномерно, а сосредоточены вблизи границ ячеек, внутри которых галактик почти нет. Теоретики предвидели возможность такого распределения галактик, а потому открытие не было неожиданным. Следовательно, согласно современным представлениям для Вселенной характерна ячеистая структура, ее еще определяют как сетчатую или пористую, которую можно видеть на специально обработанных фотографиях участков звездного неба. Она также напоминает паутинную сетку.
Вся охваченная современными методами астрономических наблюдений часть Вселенной называется Метагалактикой, или нашей Вселенной. В Метагалактике пространство между галактиками заполнено чрезвычайно разреженным межгалактическим газом, существуют гравитационные и электромагнитные поля и невидимые массы вещества - не только обычного, но и, например, состоящего из нейтрино.
От наиболее удаленных метагалактических объектов свет идет до нас миллиарды лет. И все-таки нет оснований отождествлять Метагалактику со всей Вселенной. В принципе, возможно существование других, пока неизвестных нам метагалактик.
45. ЭВОЛЮЦИЯ И СТРОЕНИЕ ГАЛАКТИК
Эволюция галактик - процесс очень сложный. В начале галактики содержат много молодых массивных и ярких звезд, со временем от ранних эпох остаются лишь менее массивные и более долго живущие звезды. В результате молодые галактики, по-видимому, являются очень яркими, а затем постепенно с возрастом их яркость уменьшается. Поскольку далекие галактики ярче, чем ожидалось, видимые расстояния до них оказываются заниженными, что в свою очередь дает завышенную плотность галактик. Поэтому Вселенная кажется нам закрытой в большей степени, чем это есть на самом деле. Учет эффектов эволюции галактик повышает оценки расстояний, соответственно, понижая оценки плотности, и приводит к выводу о том, что Вселенная более открыта, чем можно было бы предположить.
Возможно, что самое яркие галактики в далеком прошлом были более тусклыми. Такая возможность вытекает из процесса «пожирания» галактик. Если галактики проглатывали своих более мелких соседей в огромном скоплении, то они должны были бы расти и с течением времени становиться более яркими. В таком случае наши оценки расстояний до далеких галактик оказались бы завышенными. Соответствующая поправка перетягивала бы чашу весов в сторону закрытой модели Вселенной.
Основной характеристикой определенного этапа эволюции галактик является частота звездообразования, а также возраст звезд, их составляющих.
Галактики по своему строению, как показали многочисленные исследования последних десятилетий, имеют сложную структуру и разновидности. Во Вселенной имеется большое число галактик, подобно нашей Галактике, в которую входит Солнечная система. В частности, исследованы спиральные галактики, обладающие дисковой подсистемой со спиральным узором. Ближайшей к Солнечной системе гигантской спиральной галактикой является Туманность Андромеды. Кроме спиральных существуют эллиплитические галактики, по своему строению и звездному скоплению подобные сферической подсистеме нашей Галактики. В них практически нет газопылевого вещества и молодых ярких звезд. Очень часто эллиптические галактики, особенно самые массивные, имеют плотные ядра, которые по своим проявлениям обычно больше и активнее ядер спиральных галактик.
Еще один тип галактик - неправильные. Их массы и светимости в десятки раз меньше, чем у Галактики. Звездный состав их подобен скоплениям в дисках спиральных галактик. Но эти звезды, а также значительные массы газопылевого вещества не образуют регулярной структуры и не обладают выраженным общим вращением. Кроме ярких молодых звезд, в неправильных галактиках имеются еще и звезды старые, менее яркие, подобные звездам сферической подсистемы Галактики, также образующие общий сферический состав. Перечисленные три типа галактик были впервые обнаружены и изучены Э. Хабблом и другими астрономами в 20-30-е гг. XX в. В последние десятилетия стали известны также галактики иных типов, не всегда укладывающиеся в первоначальную классификацию. Это относится в первую очередь к галактикам с активными ядрами и значительным радиоизлучением. В них звездная составляющая не обнаруживается; она либо вообще отсутствует, либо, что более вероятно, имеется, но незаметна на фоне огромной светимости плотного ядра.
46. ЭВОЛЮЦИЯ ЗВЕЗД
Звезды возникали в ходе эволюции галактик.
Большинство астрономов считают, что это происходило в результате сгущения (конденсации) облаков диффузной материи, которые постепенно формировались внутри галактик. Одна из исходных предпосылок такой гипотезы состоит в том, что, как показывают инструментальные многочисленные наблюдения, «молодые» звезды всегда тесно связаны с газом и пылью. Эти звезды и диффузная материя концентрируются в спиральных ветвях галактик. Местами наиболее интенсивного звездообразования считаются массы холодного межзвездного вещества, которые называются газово-пылевыми комплексами. Наиболее изученный газово-пылевой комплекс нашей Галактики находиться в созвездии Ориона. Силы тяготения сжимают холодное газово-пылевое облако, при этом оно принимает шарообразную форму. Далее в процессе сжатия возрастает плотность и температура облака. В результате сжатия возникает будущая рождающаяся звезда (протозвезда), которая дает излучение в инфракрасном диапазоне, и поэтому рождающиеся молодые звезды обнаруживаются с помощью инструментальных наблюдений среди многочисленных источников инфракрасного излучения. Одно из основных отличий протозвезды от звезды заключается в том, что в ней еще не происходят термоядерные реакции, т. е. в ней нет основного источника энергии обычных звезд.
Термоядерные реакции начинаются, когда в процессе сжатия протозвезды температура в ее недрах станет порядка 107 К. С этого времени стадия сжатия звезды прекращается: сила внутреннего давления газа теперь уже может уравновесить силу тяготения внешних частей звезды. Стадия сжатия звезд, массы которых значительно больше массы Солнца, продолжается всего лишь сотни тысяч лет, а звезды, массы которых меньше солнечной, сжимаются сотни миллионов лет. Стадию сжатия сменяет стационарная стадия, сопровождающаяся постоянным «выгоранием» водорода. В стационарной стадии звезда находится большую часть своего существования. Таких звезд во Вселенной больше всего. Время пребывания звезды на главной последовательности пропорционально массе звезды, так как от этого зависит запас ядерного горючего, и обратно пропорционально светимости, которая определяет темп расхода ядерного горючего. А поскольку светимость звезды пропорциональна примерно четвертой степени ее массы, то массивные звезды эволюционируют быстрее. Они находятся в стационарной стадии только несколько миллионов лет, а звезды, подобные Солнцу, - миллиарды лет. Когда весь водород в центральной области звезды превратится в гелий, внутри звезды образуется гелиевое ядро. Теперь уже водород превращается в гелий не в центре звезды, а в слое, прилегающем к очень горячему гелиевому ядру. Пока внутри гелиевого ядра нет источников энергии, оно будет постепенно сжиматься и при этом еще более разогреваться. Когда температура внутри звезды превысит 1,5 X 107°К, гелий начнет превращаться в углерод с последующим образованием все более тяжелых элементов. Как показывают расчеты, светимость и размеры звезд будут возрастать. В результате обычная звезда постепенно превращается в красного гиганта, или сверхгиганта.
47. СОЛНЕЧНАЯ СИСТЕМА
Проблема происхождения планет Солнечной системы в частности и вообще в космическом пространстве очень сложная и еще не совсем решенная на данном этапе времени.
Сегодня существуют следующие наиболее важные выводы планетной космогонии:
- планеты нашей системы сформировались в результате объединения твердых, холодных тел и частиц, входивших в состав туманности, которая когда-то окружала Солнце;
- формирование планет происходило под воздействием различных физических процессов. Следствием механических процессов стало сжатие - уплощение вращающейся туманности, ее удаление от «протосолнца», столкновение частиц, их укрупнение;
- спутники планет, в том числе и Луна, возникли из роя частиц, окружавших планеты, т. е. в конечном итоге тоже из вещества протопланетной туманности.
Таким образом, основная идея современной планетной космогонии сводится к тому, что планеты и их спутники образовались из холодных твердых тел и частиц.
По своим физическим характеристикам планеты Солнечной системы делятся на две группы - планеты земной группы и планеты-гиганты. Планеты земной группы Меркурий, Венера, Земля, Марс имеют небольшие размеры и массы, средняя плотность этих планет в несколько раз превосходит плотность воды; они медленно вращаются вокруг своих осей; у них мало спутников. У Марса два крохотных спутника, у Земли - один, а у Венеры и Меркурия их вообще нет. Сходство планет земной группы не исключает и значительного различия. Например, Венера в отличие от других планет вращается в направлении, обратном ее движению вокруг Солнца. Период обращения Меркурия, т. е. год этой планеты, только на 1/3 больше периода его вращения вокруг оси по отношению к звездам. Углы наклона осей к плоскости их орбит у Земли и у Марса примерно одинаковы, но совсем иные у Меркурия и Венеры. А это одна из причин, определяющая характер смены времени года. Такие же, как у Земли, времена года есть на Марсе, но каждое время года почти в два раза продолжительнее, чем на Земле. По ряду физических характеристик к планетам земной группы относится и далекий Плутон - самая маленькая из 9 планет.
В состав солнечной системы входят планеты-гиганты; Юпитер, Сатурн, Уран, Нептун. Все эти планеты и особенно Юпитер, имеют большие размеры и массы. Например, по объему Юпитер превосходит Землю почти в 1320 раз, а по массе - в 318 раз. Эти планеты имеют низкую среднюю плотность, причем наименьшая она у Сатурна - 0,7 X 103кг/м3. Планеты-гиганты очень быстро вращаются вокруг своей оси. Планеты-гиганты находятся далеко от Солнца, и независимо от характера смены времени года на них всегда низкая температура. На Юпитере вообще нет смены времени года, поскольку ось этой планеты отличается наличием большого числа спутников: у Юпитера - 39, Сатурна - 30, Урана - 21 и только у Нептуна - 8. Имеется значительная особенность планет-гигантов - наличие колец, которые открыты не только у Сатурна, но и у Юпитера, Урана, Нептуна. Эти планеты не имеют твердых поверхностей. Они состоят в основном из водорода и гелия. Различия по химическому составу планет-гигантов от планет земной группы связаны с процессом образования планетной системы вокруг Солнца.
48. АНТРОПНЫЙ ПРИНЦИП В СОВРЕМЕННОЙ КОСМОЛОГИИ
Современная космология формулирует и обосновывает три принципа функционирования Вселенной и ее подсистем. Первый принцип - антропный (антропогенный). Антропный принцип утверждает, что мы живем не просто в наилучшей, а в единственно возможной для жизни Вселенной. Причем жизнь невозможна на уровне элементарных частиц, для ее возникновения нужны более сложные структуры - атомы, молекулы, планеты. Но для того чтобы существовал хотя бы простейший атом - атом водорода, необходимо, чтобы масса электрона была меньше, чем разность масс нейтрона и протона. Подобных соотношений в окружающем человека мире существует множество. Все это происходило в процессе эволюции материи и Вселенной. На определенном этапе эволюции материи при появлении подходящих условий во Вселенной возникает жизнь. Ее возникновение, существование и развитие обусловлены рядом свойств Вселенной, выражающихся в константах, характеризующих гравитационное, электромагнитное, слабое и сильное взаимодействия. Ученые считают, что при значениях этих констант, например гравитационной постоянной, отличающихся от наблюдаемых, жизнь во Вселенной просто бы не могла существовать. Ясно, что жизнь не могла возникнуть и на ранних стадиях расширения Метагалактики. Но именно в первые минуты расширения при температурах более 109"К вещество уже имело «стандартный химический состав». Если бы состав вещества был иным, то трудно сказать, какой стала бы дальнейшая химическая эволюция вещества Метагалактики. Образовавшиеся в поздних стадиях расширения Метагалактики звезды оказались не только источниками энергии, но и теми объектами Вселенной, в недрах которых синтезировались необходимые для возникновения жизни химические элементы. Для существования жизни небезразлично и то, что Метагалактика расширяется. Если бы по каким-либо причинам несколько миллиардов лет назад началось сжатие Метагалактики, то постепенное повышение температуры превысило бы значение, при котором возможно существование жизни.
Человечество живет на небольшой планете, движущейся вокруг одной из бесчисленного множества звезд Вселенной. Во Вселенной, как считают большинство современных астрономов и философов, возможно существование множества миров, в которых обитают цивилизации, аналогичные человеческой.
В настоящее время ученые ведут поиск внеземных цивилизаций с помощью мощного радиотелескопа, излучающего радиосигналы на определенных частотах.
Предположения ученых о существовании других цивилизаций во Вселенной опираются на имеющийся в наличии огромный банк исследовательских данных, полученных в результате массы наблюдений (наземных и с помощью космических аппаратов).
Эти данные дают основание ученым утверждать, что:
- в Метагалактике есть огромное число звезд, похожих на наше Солнце;
- планеты согласно современным данным должны существовать не только у нашего Солнца, но и других звезд;
- планетные системы есть, возможно, даже у некоторых из немногих ближайших к Солнцу звезд;
- жизнь на Земле появилась в результате сложной и длительной эволюции неживой материи. При соответствующих условиях жизнь могла возникнуть и на планетах других звезд.
49. ПРИНЦИП САМООРГАНИЗАЦИИ
Кроме антропного принципа, современная космоло гия рассматривает принцип самоорганизации. Это принцип рассматривает возникновение живого. В длив шейся многие миллиарды лет эволюции выделяютс несколько качественно различных этапов. Вначал имеют место только физические процессы, наприме возникновение элементарных частиц и синтез все бо лее сложных атомных ядер. Объединение атомо в молекулы - это уже химия, а большие молекулы предпосылка зарождения жизни.
Космологи представляют всю эволюцию Вселен ной, включая возникновение жизни, человека и об щества, как некий единый процесс самодвижени! самоорганизации и самоусложнения материи. В ре зультате многочисленных исследований в науке сей час уже есть эскиз, черновой набросок объяснени всей эволюции: от изначального вакуума и космо логического большого взрыва (20 млрд лет назад до таких необычайно сложных продуктов адаптаци как логическое мышление, совесть и любовь. В ко нечном счете все приходит в мир путем самоорга низации и самоусложнения.
Одной из основных догм витализма было утверждение о том, что органическое вещество не может возникнуть вне организма. Отсюда вытекала невозможность возникновения живого из неживого, и проблема естественного происхождения жизни вообще снималась. Как известно, в 1824 г. Ф. Велеру удалось получить в лаборатории (вне организма) щавелевую кислоту, а четыре года спустя и карбамид (мочевину). В настоящее время многие тысячи органических соединений вырабатываются тысячами и миллионами тонн; современным школьникам кажется даже странным, что между органическим и неорганическим когда-то могла лежать пропасть.
Теперь происхождение генетического кода - ключевая проблема происхождения жизни, тогда как возникновение органического из неорганического - почти банальность.
Третий принцип функционирования Вселенной, рассматриваемый современной космологией в комплексе с антропным, на профессиональном жаргоне часто называют «водоуглеродным шовинизмом». Это связано в первую очередь с нашим химическим составом, причем роль углерода исключительна. Как известно, этот элемент образует раз в тридцать больше различных химических соединений, чем все остальные элементы, вместе взятые. Среди этого богатейшего ассортимента природе легче найти подходящие «строительные материалы» для живого, чем среди каких бы то ни было других имеющихся наборов. Мало того, углерод наиболее способен к образованию таких соединений, молекулы которых имеют сложное цепное и циклическое строение и могут участвовать в очень разнообразных превращениях. Все работает словно по заказу для создания наиболее сложных и пластичных «конструкций».
Что касается роли воды, то ее тоже трудно переоценить. Вода в природе - самый совершенный растворитель, а контакт и взаимодействие веществ между собой, необходимый для возникновения самоорганизующихся структур, осуществляется во многих отношениях наиболее совершенным образом в растворах.
Наша принадлежность к жизни водно-углеродного типа - огромное везение, наша уверенность в превосходстве такой формы жизни над работно-пленочнопылевидными (метало-кремниево-аммиачными и т. д.), по-видимому, имеет под собой весьма солидные основания.
50. МОДЕЛЬ НЕСВОБОДНОЙ ЧАСТИЦЫ И ЗАКОНЫ ДИНАМИКИ
Открытие явления радиоактивности и результаты опытов Резерфорда убедительно показали, что атомы не являются неделимыми простейшими частицами. Как было установлено, они состоят из электронов, протонов и нейтронов. В начале частицы, из которых построены атомы, считались неспособнымини к каким изменениям и превращениям. Поэтому их назвали элементарными частицами. Знакомство со свойствами этих трех частиц, наиболее распространенных в изученной части Вселенной, показало, что термин «элементарная частица» довольно условен.
Одна из этих частиц - нейтрон в свободном состоянии существует в среднем лишь около 15 мин, а затем самопроизвольно распадается на протон, электрон и нейтрино. Однако считать протон, электрон и нейтрино «настоящими» элементарными частицами, а нейтрон «ненастоящей» нельзя, так как каждая из этих частиц при взаимодействии с другими частицами и атомными ядрами может превращаться в другие частицы. Полное число параметров, определяющих свойства частицы, довольно велико. Важнейшими из них являются масса частицы, ее электрический заряд, спин и время жизни. Спином называется величина, дающая количественную характеристику вращательного движения частицы. Спин частицы (механический момент) у различных частиц может иметь различные значения, но все частицы одного типа имеют абсолютно одинаковые спины.
Любой из электронов обладает механическим моментом, равным 0,50272 ? 10-34Дж|с. Эта величина точности равна ?h(h = 6,626 ? 10-31Дж/с - постоянная Планка). Величина h принята за единицу спина.
Существует четыре типа взаимодействия между элементарными частицами - гравитационное, электромагнитное, сильное и слабое. Гравитационные силы действуют между любыми частицами, электромагнитные - между заряженными. Примером сильного взаимодействия могут служить ядерные силы, связывающие в атомных ядрах протоны и нейтроны. Слабое взаимодействие обнаруживается в процессах, связанных с испусканием или поглощением нейтрино. В природе существует частица с массой, равной массе электрона, но заряженная положительно - позитрон. Электрон и позитрон, способные к совместному «рождению» в паре и к аннигиляции при встрече, назвали античастицами. Рождение электронно<позитронных пар и аннигиляция при встрече наглядно показывают, что две формы материи - вещество и поле - не являются резко разграниченными, возможны превращения материи из одной формы в другую. Античастица имеется у каждой элементарной частицы. Масса любой античастицы в точности равна массе соответствующей частицы, а электрический заряд равен по абсолютному значению заряду частицы и противоположен ему по знаку. Изучение свойств света показало, что он обладает сложной природой, сочетающей в себе волновые и корпускулярные свойства.
Полная энергия фотона (кванта света) может быть выражена через постоянную Планка и частоту электромагнитных колебаний: E = hv. С другой стороны, по закону взаимосвязи массы и энергии полная энергия фотона может быть выражена через его массу и скорость света: E = mc2. Из этих двух соотношений получаем:
v = mc2/h, ? = c/v = h/mc т. е. длина световой волны равна постоянной Планка, деленной на импульс фотона. Длина волны любого тела массой m, движущегося со скоростью v, определяется соотношением:
?= h/mv
51. СОХРАНЕНИЕ МЕХАНИЧЕСКОЙ ЭНЕРГИ
Пусть на тело массой действует постоянная сила и векторы силы и перемещения направлены вдоль одной прямой в одну сторону. Работа силы в этом случае определяется как: A = Fs. Модуль силы по второму закону движения равен F = ma, а модуль перемещения при равноускоренном прямолинейном движении связан с модулями начальной и конечной скорости и ускорения выражением
Физическая величина, равная половине произведения массы тела на квадрат его скорости, называется кинетической энергией тела.
Выражение для работы можно записать в виде:
A = Ek2 - Ek1. Работа равнодействующих сил, приложенных к телу, равна изменению кинетической энергии тела. Если начальная скорость движения тела равна нулю и тело увеличивает свою скорость до значения v, то работа силы равна конечному значению кинетической энергии тела:
Ek = mv2/2
При перемещении тела массой m вертикально вниз с высоты над поверхностью Земли до высоты под действием силы тяжести Fm = mg совершается работа A = Fs = mg(h1 - h2) При перемещении тела массой m вниз по наклонной плоскости сила тяжести совершает работу
A = mgs cos? = mgh
где h - высота наклонной плоскости, s - модуль перемещения, равный длине наклонной плоскости. Работа силы тяжести не зависит от траектории движения тела и всегда равна произведению модуля силы тяжести на разность высот в начальном и конечном положениях A = - (mgh 2 - mgh1). Физическую величину, равную произведению массы тела на модуль ускорения свободного падения и на высоту, на которую поднято тело над поверхностью Земли, называют потенциальной энергией тела Ep = mgh. Тело массой m, находящееся на глубине h от поверхности Земли, обладает отрицательной потенциальной энергией: Ep = - mgh. Работа силы тяжести равна изменению потенциальной энергии тела, взятого с противоположным знаком: A = - (Ep2 - Ep1). Работа силы тяжести на замкнутой траектории равна нулю.
Потенциальная энергия характеризует взаимодействующие тела, а кинетическая - движущиеся тела.
И потенциальная, и кинетическая энергии изменяются в результате такого взаимодействия тел, при котором действующие на тела силы совершают работу, отличную от нуля. Если несколько тел взаимодействуют между собой силами тяготения и упругости и никакие внешние силы на них не действую, то работа сил упругости или сил тяготения равна изменению потенциальной энергии тел, взятому с противоположным знаком: A = - (Ep2 - Ep1). Вместе с тем работа тех же сил равна изменению кинетической энергии: A = Ek2 - Ek1. Из сравнения равенств находим: Ek1 + Ep2 = Ek2 + Ep2.
Закон сохранения энергии в механических процессах: сумма кинетической и потенциальной энергии тел, составляющих замкнутую систему и взаимодействующих между собой силами тяготения и упругости, остается постоянной. Сумма кинетической и потенциальной энергии тел называется полной механической энергией. Полная механическая энергия замкнутой системы тел, взаимодействующих между собой силами тяготения и силами упругости, остается неизменной. При любых взаимодействиях энергия не возникает и не исчезает, а только превращается из одной формы в другую
52. ХИМИЧЕСКИЕ ЭЛЕМЕНТЫ
Все многообразие окружающей природы состоит из сочетаний сравнительно небольшого числа химических элементов.
Современное представление об элементах сформировалось после открытия Д. И. Менделеевым периодического закона.
Химический элемент - это совокупность атомов с одинаковым положительным зарядом ядра (заряд ядра равен порядковому номеру элемента в таблице Менделеева).
Разновидности одного и того же химического элемента, отличающиеся массой атомов, называются изотопами. Ядра атомов изотопов различаются числом нейтронов. Так, изотопами углерода являются 126C,136C,146C, водорода - 11H (протий), 21H= D (дейтерий) и 31H = T(тритий).
Дейтерий и тритий называются тяжелыми изотопами водорода. Если атом дейтерия или трития входит в состав молекул воды, то масса такой молекулы увеличивается и такая вода называется тяжелой водой. Масса ядра всегда меньше арифметической суммы масс протонов и нейтронов, входящих в его состав. Разность между этими величинами называется дефектом массы. Например, масса ядра гелия 24He (2p, 2п) равна 4,001506 а. с. м., а сумма масс протонов и нейтронов составляет 4,031882, т. е. дефект массы равен 0,030376 а. с. м.
Дефект массы - это энергия, которая выделяется при образовании ядра из свободных протонов и нейтронов. Ее можно вычислить из соотношения Эйнштейна E= mc2. Образование ядра из свободных частиц сопровождается выделением огромного количества энергии. Средняя энергия связи в ядре в миллионы раз превышает энергию связи. Поэтому при химических реакциях веществ ядро не изменяется.
При рассмотрении атомных масс элементов можно заметить, что почти у всех элементов атомные массы дробные. Это объясняется тем, что каждый элемент встречается в природе в виде разных изотопов. При подсчетах учитывается масса того или иного изотопа в земной коре. Относительная атомная масса, приведенная в таблице Д. И. Менделеева, является средней между атомными массами изотопов.
При изучении изотопии стали понятными некоторые отклонения последовательного возрастания относительных атомных масс элементов в Периодической системе. Например, уменьшение атомной массы от аргона (№ 18) к калию (№ 19) объясняется наличием у калия значительного процента легких изотопов, а у аргона - тяжелых. При подсчете средних массовых чисел получается, что у калия это число меньше, чем у аргона. Но величина зарядов ядер этих элементов убедительно подтверждает правильность их расположения в таблице Д. И. Менделеева.
В настоящее время известны более 100 химических элементов. Около 90 из них существуют в природе. Остальные получены искусственно с помощью ядерных реакций.
Распределение элементов в земной коре (средний химический состав земной коры по А. П. Виноградову) таково: кислород - 47,2 % массы земной коры, кремний - 27,6; алюминий - 8,80; железо - 5,1; кальций -3,6; натрий - 2,64; калий - 2,6; магний - 2,10, водород - 0,15 %.
Элементы распространены в земной коре очень неравномерно. Перечисленные 9 элементов составляют 99,79 % массы земной коры, все остальные - 0,21 %.
Распространенность элементов зависит от многих факторов, но в конечном счете определяется вероятностью ядерных реакций их образования и относительной устойчивостью отдельных изотопов.
53. ПЕРИОДИЧЕСКАЯ СИСТЕМА ЭЛЕМЕНТОВ Д. И. МЕНДЕЛЕЕВА
В основе химии лежат периодический закон и Периодическая система Д. И. Менделеева. Периодическая система элементов является графическим (табличным) изобретением периодического закона.
В современной формулировке периодический закон звучит так: свойства элементов, а также формы и свойства их соединений находятся в периодической зависимости от зарядов их ядер.
Первый вариант таблицы предложил сам Д. И. Менделеев. Это так называемый вариант длинной формы (периоды располагаются одной строкой). В 1870 г. он опубликовал второй вариант периодической системы - короткую форму (периоды разбиваются на ряды, группы - на подгруппы).
Рассмотрим короткий вариант периодической системы. По горизонтали имеется 7 периодов, из которых первые три называются малыми, а остальные - большими. В 1-ом ряду находится 2 элемента, во 2-ом и 3-ем - по 8, в 4-ом и 5-ом - по 18, в 6-ом - 32, в незавершенном 7-ом - 21 элемент. Кроме 1-го, каждый период начинается с щелочного металла и заканчивается благородным газом.
Каждый элемент Периодической системы имеет свой порядковый номер. Номера элементов называются порядковыми, или атомными, номерами.
Свойства 2-го и 3-го периодов закономерно изменяются от типичного металла до благородного газа. Поэтому Д. И. Менделеев назвал их типическими. Закономерно изменяются в периодах и формы соединений элементов.
В системе 10 рядов. Малый период состоит из одного ряда, а большой период - из двух рядов: четного и нечетного. В четных рядах больших периодов (4-ом, 6-ом, 8-ом, 10-ом) находятся только металлы. В нечетных рядах больших периодов (5-ом, 7-ом, 9-ом)свойства элементов в ряду слева направо изменяются, как у типических элементов.
Степень окисления является основным признаком, по которому элементы больших периодов разделены на два ряда. Их одинаковые значения дважды повторяются в периоде с ростом атомных масс элементов. Формы соединений элементов также повторяются дважды.
В 6-ом периоде за лантаном располагаются по порядку 14 элементов с порядковыми номерами 58-71, называемых лантаноидами. Они помещаются отдельно внизу таблицы, а в клетке указан порядок их расположения La - Lu.
В 7-ом периоде 14 элементов с порядковыми номерами 90-103 составляют семейство актиноидов. Но горизонтальная аналогия у них выражена слабо. В Периодической системе по вертикали расположены 8 групп. Номер группы указывает на степень окисления элементов, которую они проявляют в соединениях. Как правило, номер группы показывает высшую положительную степень окисления. Группа в свою очередь делится на две подгруппы - главную и побочную. Главную подгруппу составляют типические элементы (2-ом и 3-ом периоды) и сходные с ними по химическим свойствам элементы больших периодов. Побочную подгруппу составляют только металлы (элементы больших периодов).
Периодическая система - это система элементов, а из элементов состоит вся живая и неживая природа. Поэтому периодический закон - основной закон природы. Открытие периодического закона оказало огромное влияние на развитие химии и не утратило значения по сей день. Основываясь на Периодической системе, Д. И. Менделеев впервые в истории химии успешно предсказал открытие новых элементов.
54. ХИМИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ
Химический процесс - это совокупность процессов, обеспечивающих условия протекания химической реакции. Включают процессы транспортировки реагентов к зоне реакции, продуктов реакции из зоны реакции и др.
Явления, в результате которых не происходит изменения состава ядер атомов, но одни вещества превращаются в другие, отличающиеся от исходных составом и свойствами, называются химическими. Существуют различия между физическими и химическими явлениями. При физических явлениях изменяются физическое состояние или форма веществ или образуются новые вещества за счет изменения состава ядер-атомов (ядерные реакции).
Все химические реакции классифицируют по различным признакам.
1. По признаку изменения числа реагентов и продуктов реакции делят на следующие типы: соединения, разложения, замещения и обмена. Реакции, в результате которых образуется одно новое вещество из двух или нескольких, называют реакциями соединения.
Реакцией разложения называется реакция, в результате которой из одного вещества образуется несколько новых веществ.
Реакцией замещения называется реакция между простыми и сложными веществами, в результате которой атомы простого вещества замещают атомы одного из элементов сложного вещества.
Реакцией обмена называется реакция, в результате которой вещества обмениваются своими составными частями, образуя новые вещества.
2. По признаку выделения или поглощения теплоты. Те реакции, которые протекают с поглощением теплоты, называют экзотермическими:
N2(,)+O2(,)= 2NO(,), H0=180,8 кДж.
Реакции, протекающие с выделением теплоты, называют экзотермическими:
2H2 + O2 = 2H2O, H0 = - 571,6 кДж.
3. По признаку обратимости.
Обратимыми называют реакции, которые протекают во взаимно противоположных направлениях. Эти реакции характеризуются тем, что продукты прямой реакции могут взаимодействовать между собой, образуя исходные вещества (обратная реакция).
Необратимыми называют реакции, которые протекают только в одном направлении.
4. По признаку изменения степени окисления атомов, входящих в состав реагирующих веществ.
Степень окисления - это условный заряд атомов в соединении, вычисленный исходя из предположения, что оно состоит только из ионов.
Степень окисления равна нулю у свободных атомов и атомов, входящих в состав неполярных молекул (Си, H2, N2).
2K+1Cl+5O3-2= 2K+1Cl-1+ 3O20,
C0+ 2Cu+2O-2= C+4O2-2+ 2Cu0
Окислительно-восстановительными реакциями называют реакции, протекающие с изменением степеней окисления элементов.
Примеры реакций, протекающих без степени окисления атомов:
NaOH+HCl=NaCl+H2O,
N-3H3+1+ H+1Cl-1=N-3H4+1Cl-1
55. АТОМ И МОЛЕКУЛА КАК ЦЕЛОСТНЫЕ ОБЪЕКТЫ ХИМИИ
Атом (от греч. atomos - «неделимая частица») - наименьшая частица химического элемента, входящая в состав простых и сложных веществ.
До конца XIX в. атомы считались неземными. Но в 1896 г. французский химик А. Беккерель обнаружил испускание атомами урана неких лучей. Чуть позже в 1898 г. Мария и Пьер Кюри открыли, что такие же лучи излучают атомы радия и полония. Было обнаружено L-, B - и Y - излучения, которые наблюдались при радиоактивном распаде атомов.
Э. Резерфордпредложил ядерную модель строения атома (1981 г.). В этой модели атом состоит из положительно заряженного ядра, вокруг которого вращаются электроны. Позже Э. Резерфюрдввел понятие о положительно заряженной элементарной частице, которая входит в состав всех атомных ядер, - протоне; сделал предположение о существовании нейтрона - элементарной частицы, не имеющей электрического заряда. По современной протонно-нейтронной теории строения ядра атомов состоят из 2 протонов (A-Z) нейтронов. Z - это заряд ядра.
A = Z + N. A - это массовое число, т. е. число нейтронов и протонов, входящих в состав ядра элемента.
Масса протона равна 1,007277 а. е. м., масса нейтрона - 1,008665 а. е. м., а масса электрона - 0,0005486 а. е. м. Поэтому масса атома определяется массой его ядра. Так как атом является в целом электронейтральной системой, то заряд электронов равен заряду ядра. По современным представлениям атом - электронейтральная частица, состоящая из положительно заряженного атомного ядра и отрицательно заряженных электронов.
Молекула - это наименьшая частица данного вещества, обладающая всеми его химическими свойствами. Химические свойства молекулы определяются ее составом и строением. Согласно современным представлениям из молекул состоят вещества в газообразном и парообразном состоянии. Вещества находятся в твердом состоянии, если кристаллическая решетка имеет молекулярную структуру (вода, диоксид углерода). Атомно-молекулярное учение было развито М. В. Ломоносовым. Основные положения этого учения он изложил в работе «Элементы математической химии» в 1741 г. Этой же теме посвящены и многие другие его работы. Основные положения этой теории.
1. Все вещества состоят из мельчайших частиц - корпускул.
2. Молекулы состоят в свою очередь из элементов.
3. Каждая корпускула имеет тот же состав, что и все вещество. Причиной разнообразия веществ (по М. В. Ломоносову) являются различия в составе корпускул и элементов в них.
4. Частицы - молекулы и атомы - находятся в непрерывном движении. Тепловое состояние тел есть результат движения их частиц.
5. Атомы характеризуются определенной массой и размерами.
6. Молекулы простых веществ состоят из одинаковых атомов, молекулы сложных веществ - из различных атомов.
Позднее, через 47 лет после М. В. Ломоносова, атомистическое учение в химии применил Дж. Дальтон. Основные положения он изложил в своей книге «Новая система химической философии». В 1808 г. Дж. Дальтон сделал первые определения атомных весов элементов.
Открытия Ж. Л. Гей-Люссака, А. ААвогаддро дополнили атомно-молекулярное учение. Атомно-моле-кулярное учение окончательно утвердилось в середине XIX в. В 1860 г. были приняты определения понятий молекулы и атома.
56. ЕДИНСТВО РЕАГЕНТОВ И ПРОДУКТОВ
Единство реагентов и продуктов реакций отображается законом сохранения массы вещества.
Масса веществ, вступающих в химическую реакцию, равна массе веществ, образующихся в результате реакции.
Впервые этот закон был сформулирован в 1748 г. М. В. Ломоносовым. В 1756 г. он обосновал этот закон экспериментально. Французский химик Лавуазье в 1789 г. сформулировал закон сохранения массы веществ независимо от М. В. Ломоносова.
Закон сохранения массы веществ можно объяснить с точки зрения атомно-молекулярного учения: в ходе протекания химических реакций атомы не исчезают и не возникают из ниоткуда, общее число атомов равно 0 и после реакции остается постоянным. Например, при взаимодействии двухатомных молекул водорода и кислорода должно образоваться столько молекул воды, чтобы число атомов кислорода и водорода оставалось равным, т. е.:
2H2+ O2= 2H2O.
В реакцию вступили 4 атома водорода и 2 атома кислорода, а в результате реакции образовались 2 молекулы воды, в которых 4 атома водорода и 2 атома кислорода. Атомы имеют постоянную массу, следовательно, масса веществ не изменится и после реакции.
Закон сохранения массы веществ тесно связан с законом сохранения энергии. Энергия никогда не исчезает и не появляется вновь, она превращается из одного вида в другой. М. В. Ломоносов связывал эти законы во всеобщий закон природы и сформулировал это так: «Все предметы - в натуре случающиеся, такова суть состояния, что, сколько чего у одного тела отнимать, столько присовокупится к другому. Так, ежели где убудет несколько материи, то умножится в другом месте. Сей всеобщий естественный закон простирается и в самые правила движения: ибо тело, движущее силою другое, столько же оно у себя теряет, сколько сообщает другому, которое от него движение получает».
Закон сохранения энергии и закон сохранения массы веществ объединены в один единый закон - закон вечности материи и ее движения.
Современная наука подтвердила взгляды М. В. Ломоносова. Уравнение Эйнштейна выражает взаимосвязь между массой и энергией.
Закон сохранения массы веществ является материальной основой для составления уравнений химических реакций и расчетов на их основе.
В свете приведенных выше законов следует рассмотреть закон постоянства состава вещества.
Любое чистое вещество независимо от способа его получения всегда имеет постоянный качественный и количественный состав. Впервые этот закон был сформулирован в 1808 г. французским ученым Ж. Прустом.
Закон постоянства состава вытекает из атомно-молекулярного учения. Так как вещества с молекулярной структурой состоят из одинаковых молекул, то и состав этих веществ постоянен.
Во всех случаях CO2 будет иметь состав 27,27 % углерода и 72,73 % кислорода.
Наряду с соединениями постоянного состава существуют соединения переменного состава. Н. С. Кур-наков предложил назвать первые дальтонидами (в честь Д. Дальтона), вторые - бертоллидами. Состав бертоллидов изменяется и не отвечает стехиомет-рическим отношениям. Например, оксид урана (IV) выражается формулой UO3 На самом деле он имеет состав от UO25 до UO3.
57. СУЩНОСТЬ ЖИЗНИ, УРОВНИ ОРГАНИЗАЦИИ ЖИВОГО
По современным научным представлениям жизнь - это процесс существования сложных биологических систем, состоящих из огромных органических молекул и способных к самовоспроизводству и поддерживанию своего существования в результате обмена энергией и веществом с окружающей средой.
Как клетка, так и организм в целом представлены совокупностью упорядоченно взаимодействующих структур (органелл, клеток, тканей, органов), т. е. являются системами.
Живые организмы обладают признаками, отличающими их от неживой материи. Но среди них практически нет ни одного, который был бы присущ исключительно живому. Для описания жизни рассмотрим универсальные свойства живых организмов:
- обмен веществ и энергии. Все живые организмы извлекают, преобразуют и используют энергию окружающей среды и возвращают энергию окружающей среды, возвращают в биосферу преобразованную энергию (тепло, продукты распада);
- размножение (самовоспроизведение). Это обязательное и важнейшее свойство живых организмов. Длительное существование вида, преемственность между родителями и потомками - все это обеспечивается размножением;
- развитие. Под этим подразумевают необратимый, закономерно направленный процесс тесно взаимосвязанных количественных (рост, увеличение, число клеток) и качественных (созревание, старение) изменений особи с момента рождения до ее смерти;
- раздражимость (возбудимость). Свойство организмов реагировать на воздействия окружающей среды (раздражители) активной реакцией, которая помогает им выжить, называется раздражительностью;
- акторегуляцию (саморегуляция). Это способность живого организма сохранить свой состав и свойства на относительно постоянном уровне независимо от меняющихся условий среды. Кроме этого, для живых систем характерна высокая степень организации. Различают несколько структурно-функциональных уровней организации живой материи.
На молекулярном уровне рассматривается роль химических соединений, важных для поддержания жизнедеятельности организма (белков, жиров, углеводов).
На клеточном уровне изучается структурная организация клетки и физиолого-биохимические и структурно-функциональные связи между клетками в различных тканях и органах.
На тканевом и органном уровне изучаются те явления и процессы, которые происходят в особи, а также механизмы функционирования органов как систем, приспособленные изменения и поведение организмов в различных экономических условиях.
Популяционно-видовой уровень отличается от других уровней тем, что популяция при оптимальных условиях среды обитания способна развиваться неограниченно долго. Это принципиально отличается от продолжительности жизни живого организма, так как он умирает, исчерпав возможности своего развития, которые заложены в генетической информации.
Экосистемный (биосферно-биогенетический) уровень рассматривает взаимоотношения организма и среды, а также закономерности протекания энергетических круговоротов и тех процессов, которые протекают в экосистемах.
58. ПРЕДСТАВЛЕНИЯ О ЦЕЛОСТНОСТИ ОБЪЕКТОВ В БИОЛОГИИ
Слово система (от греч. systema - «целое, составленное из частей»)означает совокупность взаимосвязанных элементов, образующих единство (целостность). Для характеристики системного начала объектов обычно прибегают к принципам целостности, структурности, иерархичности, уровневости. Системность объекта предполагает расчлененность на составные части и в то же время наличие связей между компонентами системы, именно взаимосвязь компонентов отличает систему от множества, от совокупности одного общего состояния. Только объединенные в одно целое элементы составляют систему. Принцип системности гласит, что свойства системы как целого не определяются суммой свойств составляющих элементов, а есть нечто новое.
Объекты биологии - это развивающиеся объекты-системы, и все они характеризуются таким общим свойством, как целостность. Например, в отношении биологических объектов выдающийся биолог-эволюционист И. И. Шмальгаузен писал, что организм не есть мозаика частей, органов или признаков. «Целое не получается суммированием частей, хотя бы и при участии какого-либо дополнительного фактора. Оно развивается одновременно с обособлением частей по мере прогрессивного усложнения организации. Нельзя говорить, что целое больше, чем сумма частей. Мы вообще не имеем суммы, так как свойства частей сняты, а в целом мы имеем новые свойства. Организм - не сумма, а система, т. е. соподчиненная сложная взаимосвязь, дающая в своих противоречивых тенденциях, в своем непрерывном движении высшее единство - развивающуюся организацию». Сравнительный анализ процессов образования целостности в разных системах позволяет предположить, что наряду со специфическим существует и универсальный механизм формирования целостности. Частнонаучные исследования показывают, что формирование целостности происходит параллельно с «расслоением» системы на уровни. Механизм образования целостности на материале биологических систем выявляет И. B. Шмальгаузен. Он показал, что организм как целое совершенствуется в ходе и благодаря специализации частей, его составляющих. Причем чем больше специализация частей, тем больше они оказываются в зависимости друг от друга и от организма в целом. «Целое, несущее лишь общие функции, расчленяется на части с разными более специальными функциями, - писал И. И. Шмальгаузен. -Целое дифференцируется, а части специализируются. Однако эта автономизация выражается лишь в обособлении своей специфической функции. Жизнь любой части обеспечивается целым рядом общих функций...»
Обобщая сказанное, можно утверждать, что развивающиеся объект-системы характеризуются таким универсальным признаком, как целостность, а процесс образования целостности связан с формированием уровней организации. Целостность предполагает упорядоченность, наличие классов частей в противоположность хаотическому смешению элементов. В результате возникает иерархическая система, где все разнообразие элементов подразделяется на соподчиненные уровни организации. Это правило, действительно, оказывается универсальным для строения систем. Иерархичность организаций особенно заметна у биологических объект-систем: клетка - организм - популяция - биоценоз.
59. ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА СИСТЕМАТИКИ МОДЕЛЕЙ В БИОЛОГИИ
Существуют всевозможные классификации математических моделей.
В наибольшей степени обобщения модели любых систем могут быть двух типов - эмпирические и теоретические. Эмпирические модели - это математические выражения, аппроксимирующие экспериментальные данные о зависимости параметров состояния системы от значений параметров влияющих на них факторов. Для эмпирических математических моделей не требуется получения никаких представлений о строении и внутреннем механизме связей в системе. Вместе с тем задача о нахождении математического выражения эмпирической модели по заданному массиву наблюдений в пределах выбранной точности описания явления неоднозначна. Существует бесконечное множество математических выражений, аппроксимирующих в пределах данной точности одни и те же опытные данные о зависимости параметров.
Теоретические модели систем строятся на основании синтеза обобщенных представлений об отдельных слагающих их процессах и явлениях, основываясь на фундаментальных законах, описывающих поведение вещества, энергии, информации. Теоретическая модель описывает абстрактную систему, и для первоначального вывода ее соотношений не требуется данных о наблюдениях за параметрами конкретной системы. Модель строится на основе обобщения априорных представлений о структуре системы и механизма связей между слагающими ее элементами.
Наряду с эмпирическими и теоретическими используются и полуэмпирические модели. Для них математические выражения получаются теоретическим путем с точностью до эмпирически получаемых констант либо в общей системе соотношений моделей наряду с теоретическими выражениями используются и эмпирические.
Теоретическая модель описывает не конкретную систему, а класс систем. Поэтому проверка теоретической модели возможна при исследовании конкретных частично или полностью наблюдаемых систем. Затем проверенную таким образом теоретическую модель можно применять для описания и изучения конкретных ненаблюдаемых систем, относящихся к тому же либо к более узкому классу. Методы моделирования во многом сходны. Так, чрезвычайная сложность биологических систем заставляет с осторожностью относиться к данным, полученным при использовании их моделей, требует верификации данных. Специфичность биологических систем требует применения адекватного математического аппарата. Моделирование как метод исследования все шире используется в биологии. Выделяют следующие уровни структурной организации живого: клеточный - тканевой - органный - организменный - попу-ляционный - биоценотический - экосистемный. На каждом уровне в качестве объекта исследования выступают клетка, ткань, организм, популяция, сообщество, экосистема. Модели нашли свое применение на каждом уровне организации. Так, на клеточном уровне наиболее известны модели различных биохимических процессов, например фотосинтеза или биосинтеза белка. На органно-тканевом уровне часто применяются модели динамики физиологических процессов, как, например, модели образования и накопления молочной кислоты в мышцах.
С повышением уровня организации с помощью моделей удается получать преимущественно качественную информацию, в противном случае - количественную.
60. КЛЕТКА КАК ФУНДАМЕНТАЛЬНАЯ МОДЕЛЬ ЖИВОЙ МАТЕРИИ НА МИКРОУРОВНЕ
Клетки - это структурные и функциональные единицы живых организмов. Подобное представление, известное как клеточная теория, сложилось постепенно в XIX в. в результате микроскопических исследований. Можно вполне убедительно обосновать клеточную основу жизни. Клетка представляет собой самовоспроизводящуюся химическую систему. Для того чтобы поддерживать в себе необходимую концентрацию химических веществ, эта система должна быть отделена от своего окружения и должна обладать способностью к обмену с этим окружением.
Все клетки живых организмов содержат цитоплазму и генетический материал в форме ДнК. ДНК регулирует жизнедеятельность клетки и воспроизводит самое себя, благодаря чему образуются новые клетки.
Не существует строгого определения, что такое жизнь. Четкое определение жизни дать затруднительно, поэтому это понятие определяется указанием существенных признаков.
1. Питание. Оно служит для живых организмов источником энергии и веществ. Растения усваивают энергию непосредственно через процесс фотосинтеза, животные и грибы - через расщепление чужой органики. Первые именуются автотрофами, а вторые - гетеротрофами.
2. Дыхание. Одной из основных его функций является освобождение энергии при расщеплении высокоэнергетических соединений. Высвобождаемая при этом энергия запасается в молекулахАтФ.
3. Раздражимость является способностью реагировать на изменение внешней и внутренней среды.
4. Подвижность. Это свойство следует понимать не только как действие, ведущее к изменению положения в пространстве, например для растений это менее всего характерно, но в большей степени как общий приспособительный элемент адаптационного поведения, чаще всего выраженный в изменении пространственных координат.
5. Выделение - выведение из организма конечных продуктов обмена веществ.
6. Размножение. Его эволюционная роль заключается в сохранении главных признаков родителей у потомства.
7. Рост - это один из наименее специализированных признаков живого вещества. Он характерен и для неживой материи, примером тому можно считать кристаллы, но и здесь можно провести принципиальное различие: рост кристаллов - это пассивное присоединение вещества снаружи, а рост живых организмов - выраженный процесс и результат жизнедеятельности.
Эти элементарные свойства жизни присущи биологическим системам уже на клеточном уровне организации, поэтому клетку правомочно считать элементарной структурной единицей жизни. Различные иерархические уровни сложных объектов имеют функциональное и структурное сходство. Данная аналогия давно подмечена и с успехом используется при подаче теоретического материала цитологии в разного рода учебных пособиях и в цитологической терминологии. К примеру, даже название структурных элементов клетки - «органеллы» является производным от «органов» многоклеточного организма. Подобие различных иерархических уровней в сложных системах получило название фрактальности. Клетка является открытой системой, которая обменивается с окружающей средой веществом и информацией, пропускает через себя поток энергии, непрерывно понижая энтропию. Этими свойствами обладает любая биологическая система.
61. ПРОКАРИОТЫ И ЭУКАРИОТЫ
Несмотря на общность структурной, биохимической и физиологической организации, присущую всем живым организмам, их можно поделить на две большие группы - прокариоты и эукариоты. Принципиальное и наиболее заметное различие между этими двумя группами организмов заключается в том, что эукариоты имеют особый органоид - ядро, т. е. генетический материал обособлен и отделен от цитоплазмы ядерной оболочкой. Наследственная информация заключена в хромосомах, содержащих ДНК и особые белки. Деление происходит в результате сложного процесса, называемого митозом. Однако неправильно будет сказать, что прокариоты не имеют ядра, так как у них есть ядроподобные структуры - нуклеоиды. Более корректное выражение: прокариоты не имеют оформленного ядра, так как нукле-оиды имеют более простое строение и не отделены от цитоплазмы мембраной. Наследственную информацию несет одна хромосома, представляющая собой длинную молекулу ДНК.
Кратко охарактеризуем основные органеллы эука-риота.
Рибосомы синтезируют белковые молекулы, пользуясь молекулами информационной РНК как матрицами. Они являются самыми мелкими органел-лами. Они присутствуют как в прокариотических, так и в эукариотических клетках. Эндоплазматический ретикулум - сеть мембран, которые образуют отсеки, где проходит синтез и транспортировка синтезируемых в клетке веществ. Ядро содержит наследственный материал клетки в виде ДНК. Ядро имеется во всех эукариотических клетках. В ядрышках происходит частичный синтез рибосом.
Микротрубочки образуют сложную сеть, определяющую форму клетки, как бы клеточный скелет.
Они же позволяют клетке передвигаться и менять очертания.
Лизосомы содержат ферменты, разрушающие вещества, которые мешают жизнедеятельности клетки.
Хлоропласты, находящиеся в клетках растений, осуществляют фотосинтез.
В клеточную мембрану встроено множество сложных белковых молекул, регулирующих ее проницаемость и осуществляющих процессы обмена клетки с окружающей средой.
Митохондрии - это химические фабрики, генерирующие энергию клетки в процессах управляемого разложения молекул питательных веществ.
Клетки прокариот по сравнению с клетками эукари-от имеют ряд принципиальных различий; неодинаковое строение ядерного аппарата - не единственный отличительный признак. У прокариот в цитоплазме отсутствует система мембран, которая у эукариот образует эндоплазматический ретикулум, отсутствуют структурно оформленные органеллы, присущие эука-риотам, такие как митохондрии и хлоропласты, комплекс Гольджи, лизосомы. Особенности структурной организации обусловливают и ряд функциональных отличий прокариотических клеток от эукариотических. Прокариотам не свойственно направленное движение цитоплазмы, внутриклеточное пищеварение, явления фагоцитоза и пиноцитоза. Клетки подавляющего большинства прокариот значительно мельче эукариотиче-ских клеток, для них характерно большее соотношение поверхности к объему, что обусловливает более интенсивный обмен с окружающей средой. Рибосомы более мелкие, но их намного больше.
Систематическая характеристика этих групп показывает, что эукариоты объединяют животных, растения и грибы. В группу же прокариот входят бактерии, сине-зеленые водоросли.
62. НАУКИ О ЗЕМЛЕ
Науки о Земле - комплекс наук, изучающих Землю, ее геосферы, их природные свойства, население и результаты его хозяйственной деятельности. В число наук о Земле входят естественные и общественные науки. Любая из наук о Земле делится на общую и региональную. Общая наука изучает закономерности, присущие всем объектам, изучаемым этой наукой, а региональная - особенности этих объектов на определенной территории.
Науки, изучающие нашу планету (геология, тектоника, климатология, гидрология, география и т. д.), объединяются в раздел естествознания, называемый землеведением. Приведем лишь самый скромный перечень наук, в сферу исследования которых входит изучение нашей планеты.
Геология - наука о составе, строении, истории развития недр Земли, в первую очередь земной коры, а также о размещении в земной коре полезных ископаемых. В качестве составных частей в геологию входят минералогия (наука о составе и свойствах минералов), петрография (наука о составе и строении горных пород), палеонтология (наука о вымерших растениях и животных), геохронология, тектоника (изучает формы залегания геологических тел, движения земной коры), гидрогеология (наука о подземных водах), геофизика (изучает физические свойства всех геосфер и физические процессы, происходящие в оболочках Земли) и др.
География - система естественных, физико-географических и общественных, экономико-географических наук, изучающих географическую оболочку Земли, природные и производственные территориальные комплексы, их компоненты и взаимосвязи между ними.
К физико-географическим наукам относятся общее землеведение (изучение Земли как мирового тела и его географической оболочки в целом), ландшаф-товедение (изучение закономерностей территориальной дифференциации географической оболочки), науки, изучающие отдельные компоненты географической оболочки: геоморфология (изучает строение, происхождение и развитие рельефа Земли), метеорология (наука об атмосфере Земли и происходящих в ней процессах), климатология, океанология, гидрология суши, гляциология, география почв, биогеография, палеогеография (изучает историю развития географической оболочки за период, предшествующий современному).
К экономико- и социально-географическим наукам относятся география населения, демография, география промышленности, сельского хозяйства, транспорта, непроизводственной сферы, политическая география, социальная география, экономическая география, страноведение, география рекреации и туризма и другие направления.
Экология - биологическая наука о взаимосвязи организмов и их сообществ с окружающей средой. В настоящее время для экологии характерно своеобразное «распыление» исследований и предмета изучения. Выделились такие направления, как природопользование, урбоэкология, агроэкология, промышленная экология, инженерная экология и др.
Геодезия - наука, изучающая форму и размеры Земли, методы измерения расстояний, углов и высот на земной поверхности. Раздел геодезии, включающий технологию и организацию измерений на местности для создания карт и планов, обычно называют топографией. Наука о картах, их создании и использовании называется картографией.
63. ВНУТРЕННЕЕ СТРОЕНИЕ И ИСТОРИЯ ГЕОЛОГИЧЕСКОГО РАЗВИТИЯ ЗЕМЛИ
В строении Земли выделяют три основных слоя: земную кору, мантию и ядро.
Земная кора - твердая слоистая внешняя оболочка Земли. Мощность земной коры в планетарном масштабе чрезвычайно мала (в среднем около 35 км). Мощность ее сильно меняется от 5 км под океанами до 70 км под горными сооружениями. На 90 % состоит из 8 химических элементов: кислорода, кремния, алюминия, железа, кальция, калия, натрия, магния. Есть 2 разновидности земной коры - континентальная (более мощная, сложная и имеет 3 слоя - осадочный, гранитный и базальтовый) и океаническая (более тяжелая и преимущественно базальтовая с отсутствием гранитного слоя).
Мантия распространяется на глубину 2900 км. Ее объем составляет 83 % (с ядром - 99 %) объема планеты. Несмотря на высокую температуру (2000 "С), вещество мантии вследствие огромного давления находится в твердом кристаллическом состоянии. Внутри мантии на глубине 100-250 км под континентами и 50-100 км под океанами начинается слой повышенной пластичности вещества, близкого к точке плавления, - астеносфера. Подошва астеносферы находится на глубинах порядка 400 км. Земная кора вместе с верхним твердым слоем мантии над астеносферой называется литосферой. Литосфера - относительно хрупкая оболочка. Она разбита глубинными разломами на крупные блоки - литосферные плиты.
Ядро находится на глубинах от 2900 до 6371 км, т. е. радиус ядра занимает более половины радиуса Земли и имеет мощность примерно 3500 км. Ядро состоит из внешнего и внутреннего слоев. Предполагают, что во внешней части ядра вещество находится в расплавленном подвижном состоянии и в нем изза вращения планеты возникают электрические токи, которые создают магнитное поле Земли; внутренняя часть ядра твердая. Земное ядро состоит из железа с примесью более легких элементов. С глубиной нарастают давление и температура, которая составляет в ядре около 5000 "С.
Слои Земли различаются по химическому составу, что связывают с дифференциацией первичного холодного вещества планеты в условиях его сильного разогрева и частичного расплавления. Предполагают, что при этом более тяжелые элементы (железо, никель и др.) «тонули», а относительно легкие (кремний, алюминий и др.) «всплывали». Первые образовали ядро, вторые - земную кору. Из расплава одновременно выделялись газы и пары воды, которые сформировали первичные атмосферу и гидросферу.
Абсолютный возраст Земли примерно равен 4,6 млрд лет. Возраст древнейших пород Земли - гранитогней-сов, обнаруженных на суше, - равен 3,8-4,0 млрд лет. О событиях геологического прошлого дает представление единая международная геохронологическая шкала. Ее основными временными подразделениями являются эры: архейская, протерозойская, палеозойская, мезозойская, кайнозойская. Древнейший интервал геологического времени, включающий ар-хей и протерозой, называют докембрием (90 % всей геологической истории Земли). Далее выделена палеозойская («древняя жизнь») эра (от 570 до 230 млн лет назад), мезозойская («средняя жизнь») эра (от 230 до 65-67 млн лет назад) и кайнозойская («новая жизнь») эра (от 65-67 млн лет до наших дней). Внутри эр выделяются меньшие временные отрезки - периоды.
64. ЛИТОСФЕРА КАК АБИОТИЧЕСКАЯ ОСНОВА ЖИЗНИ
Литосфера - верхняя твердая оболочка Земли, включающая земную кору и верхнюю часть мантии и переходящая без резкой границы в нижележащую астеносферу. Мощность литосферы составляет от 50 до 200 км.
Породы земной коры делятся на три класса, имеющих различное происхождение:
- магматические породы (гранит, базальт, габбро, туф);
- осадочные породы (мел, известняк, доломит, песок);
- метаморфические породы.
Современная наука позволяет говорить, что первоначально, непосредственно по завершении формирования литосферы, поверхность Земли была холодной (около 0 "С), небо практически безоблачным, разница между температурой дня и ночи достигала порядка 50 "С. Горы имели более изломанные очертания, чем сейчас, склоны были круче, а ущелья глубже. Без морей, рек, ледников, при разреженной безветренной атмосфере процессы эрозии были ничтожны. Зато интенсивный вулканизм порождал в земной коре глубокие разломы, многократно перестраивал, сминал в складки, опускал и поднимал земную поверхность. Потоки лавы образовывали озера, заливали огромные пространства и застывали. В результате вулканической деятельности из недр Земли выделялись газы и водяные пары, постепенно образовавшие атмосферу.
В трещинах и углублениях земной поверхности стала конденсироваться вода, сначала в виде небольших лужиц, постепенно сливавшихся в более крупные водоемы. Со временем образовался первичный океан. Под действием холода и жары, ветра и воды начали разрушаться скалы и отлагаться первые осадочные породы. Примерно 4 млрд лет назад над пустынной Землей, покрывшейся водами, нависли тяжелые густые облака, почти не пропускавшие солнечных лучей. Земную поверхность сотрясали титанические бури и ураганы на фоне нестихающего вулка+низ-ма. Геологическая эра Земли от ее образования до зарождения жизни называется катархей. Жизни еще не было, но, как считают многие ученые, уже имелись все предпосылки для ее появления.
Существуют два подхода к проблеме самоорганизации предбиологических систем: субстратный и функциональный. К субстратному относят теории происхождения жизни, отправным пунктом которых являются определенный состав элементов органогенов и не менее определенная структура входящих в живой организм химических соединений. Известно более ста химических элементов, однако основу живых систем составляют только шесть, названные органогенами: углерод, водород, кислород, азот, фосфор и сера. Их общая весовая доля в организмах - 97,4 %. Далее следуют 12 элементов, участвующих в физиологически важных компонентах биосистем: натрий, калий, кальций, магний, железо, кремний, алюминий, хлор, медь, цинк, кобальт (весовая доля в организмах - 1,6 %). Еще 20 участвуют в работе отдельных биосистем, участие остальных элементов в построении биосистем практически не зафиксировано. На Земле наиболее распространены кислород, кремний, алюминий, железо, магний, кальций, натрий, калий, никель, а углерод занимает лишь 16-ое место. Из органогенов наиболее распространены лишь кислород и водород. Следовательно, геохимия не играет существенной роли в отборе химических элементов при формировании органических систем, а тем более биосистем.
65. ЭКОЛОГИЧЕСКИЕ ФУНКЦИИ ЛИТОСФЕРЫ: РЕСУРСНАЯ, ГЕОДИНАМИЧЕСКАЯ, ГЕОФИЗИКО-ГЕОХИМИЧЕСКАЯ
Люди еще в древности научились применять для своих нужд некоторые из ресурсов литосферы и других оболочек Земли, что нашло свое отражение в названиях исторических периодов развития человечества: «каменный век», «бронзовый век», «железный век». В наши дни используется более 200 различных видов ресурсов. Все природные ресурсы четко следует отграничивать от природных условий.
Природные ресурсы - это тела и силы природы, которые на данном уровне развития производительных сил и изученности могут быть использованы для удовлетворения потребностей человеческого общества в форме непосредственного участия в материальной деятельности.
Под полезными ископаемыми понимаются минеральные образования земной коры, которые могут эффективно использоваться в хозяйственной деятельности человека. Распространение полезных ископаемых в земной коре подчиняется геологическим закономерностям. К ресурсам литосферы относятся топливные, рудные и нерудные полезные ископаемые, а также энергия внутреннего тепла Земли. Таким образом, литосфера выполняет одну из важнейших для человечества функций - ресурсную - снабжение человека почти всеми видами известных ресурсов.
Кроме ресурсной функции, литосфера выполняет и еще одну важную функцию - геодинамическую. На Земле непрерывно проходят геологические процессы. В основе всех геологических процессов лежат разные источники энергии. Источником внутренних процессов является тепло, образующееся при радиоактивном распаде и гравитационной дифференциации веществ внутри Земли.
С внутренними процессами связаны различные тектонические движения земной коры, создающие основные формы рельефа - горы и равнины, магматизм, землетрясения. Тектонические движения проявляются в медленных вертикальных колебаниях земной коры, в образовании складок горных пород и тектонических разломов. Постоянно происходит изменение внешнего облика земной поверхности под воздействием литосферных и внутриземных процессов. Мы воочию можем находятся лишь немногие из таких процессов. К ним, в частности, относятся такие грозные явления, как землетрясения и вулканизм, вызванные сейсмической активностью внутриземных процессов.
В разнообразии химического состава и физико-химических свойств земной коры и заключается следующая функция литосферы - геофизико-геохими-ческая. По геологическим и геохимическим данным до глубины 16 км подсчитан усредненный химический состав пород земной коры: кислород - 47 %, кремний -27,5 %, алюминий - 8,6 %, железо - 5 %, кальций, натрий, магний и калий - 10,5 %, на все остальные элементы приходится около 1,5 %, в том числе на титан - 0,6 %, углерод - 0,1 %, медь -0,01 %, свинец - 0,0016 %, золото - 0,0000005 %. Очевидно, что первые восемь элементов составляют почти 99 % земной коры. Выполнение литосферой данной, не менее важной, чем предыдущие, функции приводит к наиболее эффективному хозяйственному использованию практически всех слоев литосферы. В частности, наиболее ценным по своему составу и физико-химическим свойствам является верхний тонкий слой земной коры, обладающий естественным плодородием и именуемый почвой.
66. ГЕОГРАФИЧЕСКАЯ ОБОЛОЧКА ЗЕМЛИ
Географическая оболочка - целостная и непрерывная оболочка Земли, включающая в себя нижнюю часть атмосферы, верхнюю часть литосферы, всю гидросферу и всю биосферу.
Между оболочками Земли происходит сложное взаимодействие, непрерывный обмен веществом и энергией. Границы географической оболочки выражены нечетко, поэтому ученые определяют их по-разному. Обычно за верхнюю границу принимают озоновый экран. Нижняя граница географической оболочки на суше чаще всего проводится на глубине не более 1000 м. В океане нижней границей географической оболочки служит его дно. Таким образом, общая мощность географической оболочки составляет около 30 км.
Географическая оболочка территориально и по объему совпадает с биосферой. Одни ученые полагают, что географическая оболочка и биосфера - синонимы. Другие же склонны считать, что биосфера представляет собой определенную стадию развития географической оболочки. В истории развития географической оболочки выделяют 3 этапа:
- добиогенный;
- биогенный;
- антропогенный.
По мнению третьих, географическая оболочка и биосфера не тождественны, поскольку в понятии «биосфера» внимание акцентируется на активной роли живого вещества в развитии этой оболочки.
Каждый природный комплекс состоит из взаимосвязанных компонентов - составных частей. К ним относятся горные породы, воздух, вода, растения, животные и почвы. Взаимодействие компонентов и приводит к образованию природных комплексов. Природные комплексы, образовавшиеся на суше, называют природными территориальными, а в океане или другом водоеме - природными аквальными.
Географическая оболочка обладает целым рядом закономерностей. К важнейшим из них относятся следующие:
- целостность - единство географической оболочки, обусловленное тесной взаимосвязью слагающих его компонентов, причем изменение одного компонента неизбежно приводит к изменению других и географической оболочки в целом. Она является важнейшей географической закономерностью и достигается круговоротом вещества и энергии;
- ритмичность развития - повторяемость во времени тех или иных явлений. В природе существуют ритмы разной продолжительности - суточные, годовые, внутривековые и сверхвековые;
- горизонтальная зональность - закономерное изменение природных компонентов и природных комплексов по направлению от экватора к полюсам. Наиболее крупные зональные подразделения географической оболочки - географические пояса (выделяют 13 - арктический и антарктический, субарктический и субантарктический, 2 умеренных, 2 субтропических, 2 тропических, 2 субэкваториальных, экваториальный), которые протягиваются в широтном направлении и по существу совпадают с климатическими поясами. Внутри поясов по соотношению тепла и влаги выделяют природные зоны;
- высотная поясность - закономерная смена природных компонентов и природных комплексов с подъемом в горы от их подножия и до вершин. Она обусловлена изменением климата с высотой.
67. СОВРЕМЕННЫЕ КОНЦЕПЦИИ РАЗВИТИЯ ГЕОСФЕРНЫХ ОБОЛОЧЕК
В последние 30 лет признание получила концепция тектонических литосферных плит, согласно которой в течение всего мезозоя и кайнозоя материки перемещались по поверхности планеты. Рассмотрев карту мира как разрезную картинку, можно заметить, что Южная Америка и Африка, Антарктида, Австралия и Индостан - границы материков - хорошо совмещаются. Это обстоятельство было отмечено давно, но лишь в 1912 г. немецкий метеоролог и геолог Альфред Вегенер (1880-1930) сделал предположение о существовании единого праконтинента, его расколе и последующем движении образовавшихся континентов. Понадобилось более полувека, чтобы эта теория получила признание специалистов.
Теория тектонических литосферных плит существенно изменила представления об эволюции нашей планеты. Мы стали лучше понимать природу землетрясений и получили возможность улучшить их прогнозирование. Зная линии разломов земной коры, вдоль которых происходит смещение плит, можно наблюдать за этим смещением. Если оно замедляется или останавливается, это указывает на вероятность приближения сейсмического толчка или серии таких толчков. Теория литосферных плит сделала более понятным распределение полезных ископаемых.
Гидросфера (водная оболочка) покрывает 71 % поверхности планеты и включает в себя Мировой океан, моря, озера, реки и подземные воды. Вода - сильнейший, почти универсальный растворитель: в 1 т океанической воды содержится 35 кг различных солей. Одним из замечательных ее свойств является то, что ее твердая фаза (лед) имеет при температуре замерзания плотность меньшую, чем жидкая вода. Поэтому замерзание водоемов начинается сверху, где зимой температура атмосферы понижается, и в глубине сохраняются условия, благоприятные для жизни. Значительная часть воды содержится в криосфере - льдах Арктики и Антарктики, занимающей огромные пространства.
Атмосфера - газовая оболочка Земли, существенно отличается от атмосфер других планет Солнечной системы. Первоначально она состояла из водорода, водяных паров, углекислого газа, метана, аммиака и небольших количеств гелия и неона. На Земле углекислота была удалена химическими реакциями с горными породами при участии жидкой воды, а впоследствии и фотосинтезом растений. Современная атмосфера состоит из азота (около 80 %) и кислорода (около 20 %). Атмосфера подразделяется на несколько уровней - приземную тропосферу с интенсивным вертикальным и горизонтальным движением воздуха, стратосферу с озоновым слоем, мезосферу, ионосферу и экзосферу. Совокупность движений воздуха тропосферы образует атмосферную циркуляцию. Наблюдается широтное чередование сезонно смещающихся зон высокого и низкого давления, и отрывающиеся от них атмосферные вихри, связанные с областями низкого и высокого давления, называются циклонами и антициклонами.
Сложное взаимодействие трех геосфер - атмосферы, литосферы и гидросферы (возможно, и при неких дополнительных внешних воздействиях) привело в глубокой древности к формированию новой геосферы - биосферы, сферы жизни. Ее составляющей является и та часть материи, которая пытается познать строение Земли и Вселенной и определить свое место в ней, - люди.
68. СИНЕРГЕТИКА
В системе научного знания выделяются новые, более сложные типы объектов познания, характеризующиеся историзмом, универсальностью, сложностью организации, которые раньше не поддавались теоретическому (математическому) моделированию. Одно из таких новых направлений в современном естествознании представлено синергетикой.
Классическое и неклассическое естествознание объединяет одна общая черта: их предмет познания - это простые (замкнутые, изолированные, обратимые во времени) системы. В 70-е гг. XX в. начала активно развиваться теория сложных самоорганизующихся систем. Результаты исследований в области нелинейного (порядка выше второго) математического моделирования сложных открытых систем привели к рождению нового мощного научного направления в современном естествознании - синергетики. Как и кибернетика, синергетика - это некоторый междисциплинарный подход. Синергетика ориентирована на исследование принципов построения организации, ее возникновения, развития и самоусложнения.
Мир нелинейных самоорганизующихся систем гораздо богаче, чем закрытых, линейных систем. Методами синергетики было осуществлено моделирование многих сложных самоорганизующихся систем. Основной вопрос синергетики - существуют ли общие закономерности, управляющие возникновением самоорганизующихся систем, их структур и функций.
Итак, предметом синергетики являются сложные самоорганизующиеся системы. Один из основоположников синергетики Г. Хакен определяет понятие самоорганизующейся системы: «Мы называем систему самоорганизующейся, если она без специфического воздействия извне обретает какую-то пространственную, временную или функциональную структуру. Под специфическим внешним воздействием мы понимаем такое, которое навязывает системе структуру или функционирование. В случае же самоорганизующихся систем испытывается извне неспецифическое воздействие». Таким образом, современное естествознание ищет пути теоретического моделирования самых сложных систем, которые присущи природе, - систем, способных к самоорганизации, саморазвитию. Основные свойства самоорганизующихся систем - открытость, нелинейность, диссипативность.
Главная идея синергетики - это идея о принципиальной возможности спонтанного возникновения порядка и организации из беспорядка и хаоса в результате процесса самоорганизации. Решающим фактором самоорганизации является образование петли положительной обратной связи системы и среды. Система начинает самоорганизовываться и противостоит тенденции ее разрушения средой. Становление самоорганизации определяется характером взаимодействия случайных и необходимых факторов системы и ее среды. Самоорганизация переживает и переломные моменты - точки бифуркации. Вблизи точек бифуркации в системах наблюдаются значительные флуктуации, роль случайных факторов резко возрастает.
Синергетика убедительно показывает, что даже в неорганической природе существуют классы систем, способных к самоорганизации. История развития природы - это история образования все более и более сложных нелинейных систем. Такие системы и обеспечивают всеобщую эволюцию природы на всех уровнях ее организации - от низших и простейших к высшим и сложнейшим, таким как человек, общество, культура.
69. КИБЕРНЕТИКА
Задачу выяснить с общих позиций закономерности процессов самоорганизации и образования структур ставит перед собой не только синергетика. Важную роль в понимании многих существенных особенностей этих процессов сыграл, например, кибернетический подход, представляемый иногда как абстрагирующийся от конкретных материальных форм и поэтому противопоставляемый синергетическому подходу, учитывающему физические основы спонтанного формирования структур.
Термином «кибернетика» 2500 лет назад древнегреческий философ Платон называл «искусство управления кораблем». В начале XIX в. французский физик и математик А.-М. Ампер называл кибернетику наукой об управлении государством. В 1948 г. американский математик Н. Винер издал книгу «Кибернетика», в которой определил это понятие как «науку об управлении и связи в животном и машине». Одна из важнейших задач кибернетики - исследование управляющих систем живой природы. Ключевым вопросом в ее решении стало понятие обратной связи, влияния следствий на причины, их вызывающие и определяющие ход процесса.
Кибернетика возникла на стыке многих областей знания: математики, логики, семиотики, биологии и социологии. Обобщающий характер кибернетических идей и методов сближает науку об управлении, каковой является кибернетика, с философией. Задача обоснования исходных понятий кибернетики, особенно таких, как информация, управление, обратная связь и другие, требует выхода в более широкую, философскую область знаний, где рассматриваются атрибуты материи - общие свойства движения, закономерности познания. Явления, которые отображаются в таких фундаментальных понятиях кибернетики, как информация и управление, имеют место в органической природе и общественной жизни. Таким образом, кибернетику можно определить как науку об управлении и связи с живой природой в обществе и технике. Информация в живой природе в отличие от природы неживой играет активную роль, так как участвует в управлении всеми жизненными процессами.
Эффект обратной связи означает цикличность, замкнутость несущего информацию сигнала с выхода на вход системы управления. Посредством обратной связи осуществляется приведение объекта управления в соответствие с функционально-заданным результатом управления. Отрицательная обратная связь уменьшает действие возмущающих воздействий, положительная - усиливает, что может привести к разрушению системы управления.
В традиционной кибернетике гомеостаз рассматривается как некоторое устойчивое с точки зрения цели управления состояние объекта. Гомеостаз здесь обеспечивается тем, что всякие отклонения состояний объекта управления от цели управления компенсируются за счет отрицательной обратной связи. То есть в этом представлении гомеостаз прочно связан с целью управления.
Эвристический путь совершенствования систем управления постепенно формализуется в рамках теории систем путем выработки синтетических обобщающих концепций методологического плана. Среди них общая теория систем Л. Берталанфи, кибернетика Н. Винера, функциональная теория систем М. И. Сетрова, ветви системного анализа, системотехнические и системологические работы, «глобальные идеи» теории управления, такие как обратная связь, адаптация.
70. ОСНОВНЫЕ ПОНЯТИЯ (СИСТЕМА, ОБРАТНАЯ СВЯЗЬ, ИНФОРМАЦИЯ). СВЯЗЬ ИНФОРМАЦИИ И ЗНАНИЯ
Те практические задачи, которые сегодня решаются, требуют глубокого изучения отдельных объектов и явлений природы. Большое число задач связано с исследованием сложных систем, включающих множество элементов, каждый из которых представляет собой достаточно сложную систему, и эти системы тесно взаимосвязаны с внешней средой. В настоящее время термин «общая теория систем» трактуется в широком и узком смысле. ОТС в широком смысле - это комплекс математических и инженерныхдисциплин.
Аналогична ситуация и с теорией развития сложных систем. Ее тоже можно понимать в широком и узком смысле. В широком смысле теория развития сложных систем - это естественно-научная конкретизация общей теории развития - материалистической диалектики. В рамках этой же теории должны быть объединены основные положения о поведении сложных систем, разработанные в различных областях научного знания, в результате чего может быть построена концептуальная модель процессов развития сложных систем. Более узкое понимание теории развития предполагает построение математических моделей развития конкретных систем (биологических, экологических, экономических, социальных и т. п.). В этом случае объект исследования выделяется и анализируется конкретной научной дисциплиной.
Особенность простых систем - в практически взаимной независимости их свойств, позволяющей исследовать каждое из них в отдельности в условиях классического лабораторного эксперимента; особенность сложных систем заключается в существенной взаимосвязи их свойств. Систему считают сложной, если она состоит из большого числа взаимосвязанных и взаимодействующих между собой элементов, каждый из которых может быть представлен в виде системы. В качестве содержания теории развития сложных систем можно рассматривать совокупность методологических подходов, позволяющих строить модели процессов развития сложных систем, используя достижения различных наук, а также методы анализа получаемых моделей.
Действие регуляторного механизма развития системы проявляется на различных уровнях ее организации и зависит от реакции на изменение внешних факторов, от форм взаимодействия системы с факторами внешней среды. В зависимости от уровня структуризации системы взаимозависимость с внешними факторами проявляется в различных формах, так как относится к разным уровням организации системы и различным процессам. В роли регулятора выступает внешняя среда, включающая рассматриваемую систему. Внешняя среда должна быть связана с развивающейся системой двумя линиями связи - прямой линией передачи управляющих сигналов от внешней среды к системе и линией обратной связи, передающей во внешнюю среду информацию о действительном состоянии системы. В процессе функционирования система передает во внешнюю среду информацию о количественном составе соответствующих элементов-признаков, об их распределении. Во внешней среде происходит преобразование этой информации (контроль и отбор наиболее ценной информации). Отобранная информация накапливается во внешней среде и передается в систему путем появления соответствующих свойств (признаков) у элементов системы.
71. ПРОБЛЕМА СОЗДАНИЯ ИСКУССТВЕННОГО ИНТЕЛЛЕКТА. НЕЙРОННЫЕ СЕТИ
В последнее время активно ведутся также работы по построению моделей обработки информации в нервной системе. Большинство моделей основывается на схеме формального нейрона У. МакКаллока и У. Питтса, согласно которой нейрон представляет собой пороговый элемент, на входах которого имеются возбуждающие и тормозящие синапсы; в этом нейроне определяется взвешенная сумма входных сигналов (с учетом весов синапсов), а при превышении этой суммой порога нейрона вырабатывается выходной сигнал.
В моделях уже построены нейронные сети, выполняющие различные алгоритмы обработки информации: ассоциативная память, категоризация (разбиение множества образов на кластеры, состоящие из подобных друг другу образов), топологически корректное отображение одного пространства переменных в другое, распознавание зрительных образов, инвариантное относительно деформаций и сдвигов в пространстве решение задач комбинаторной оптимизации. Подавляющее число работ относится к исследованию алгоритмов нейросетей с прагматическими целями.
Предполагается, что практические задачи будут решаться нейрокомпьютерами - искусственными нейро-подобными сетями, созданными на основе микроэлектронных вычислительных систем. Спектр задач для разрабатываемых нейрокомпьютеров достаточно широк: распознавание зрительных и звуковых образов, создание экспертных систем и их аналогов, управление роботами, создание нейропротезов для людей, потерявших слух или зрение. Достоинства нейрокомпьютеров - параллельная обработка информации и способность к обучению.
Несмотря на чрезвычайную активность исследований, многое в них настораживает. Ведь изучаемые алгоритмы выглядят как бы «вырванным куском» из общего осмысления работы нервной системы. Часто исследуются те алгоритмы, для которых удается построить хорошие модели, а не те, что наиболее важны для понимания свойств мышления, работы мозга и для создания систем искусственного интеллекта. Задачи, решаемые этими алгоритмами, оторваны от эволюционного контекста, в них практически не рассматривается, каким образом и почему возникли те или иные системы обработки информации. Настораживает и упрощенность понимания работы нейронных сетей. Ряд исследователей рассматривает нейрон как значительно более сложную систему обработки информации, предполагая, что основную роль в обучении играют молекулярные механизмы внутри нейрона. Все это указывает на необходимость максимально полного понимания работы биологических систем обработки информации и свойств организмов, обеспечиваемых этими системами. Одним из важных направлений исследований может быть анализ того, как в процессе биологической эволюции возникали «интеллектуальные» свойства биологических организмов.
Распознавание образов, сжатие информации, ассоциативная память - эти функции являются необходимыми для различных устройств с искусственным интеллектом. И создатели компьютерной техники уже достаточно продвинулись в этом направлении. Так, если сравнивать мощность искусственных и естественных нейросетей по емкости памяти и скорости работы, то искусственные нейро-сети уже превзошли уровень мухи, хотя еще не достигли уровня таракана.
72. ПРОБЛЕМА ВИРТУАЛЬНОЙ РЕАЛЬНОСТИ
Процесс познания человеком мира вышел на новый виток. И этот новый уровень связан с разработкой и реализацией комплексной проблемы «виртуальная реальность» (Virtual Reality), активно развивающейся в США, Японии и Европы. Важным отличием «виртуального» подхода от предыдущих методов компьютерного моделирования процессов, происходящих в сложных системах, является возможно более полное использование знаний об особенностях поведения человека, о человеческом мозге, о процессах обработки образной информации, о взаимодействии сенсорных каналов (зрительного, слухового, тактильного и пр.), о формировании у нас обобщенного образа мира.
Любое попадание на новый уровень - результат глубокой проработки и обобщения результатов работы на предыдущих уровнях. Поэтому в проблеме «виртуальной реальности» существенное место занимает цветная и трехмерная графика, интерактивные системы общения человека и машинны.
Использование полисенсорной информации и обратных связей привело к невиданному прогрессу в разработке аппаратуры (видео-, аудио-, сенсоров-шлемов, специальных перчаток с датчиками)и программных средств. Все это позволяет в реальном масштабе времени создать «эффект присутствия» как в глубине образа, так и на его поверхности, анализировать и отображать полученные знания с различной степенью детализации образа, интенсификации проявления различных его свойств, в различных ракурсах.
Первостепенную роль в разработке проблемы «виртуальной реальности» играют такие особенности «человеческого фактора», знания о которых получаются в результате нейропсихолингвистических исследований. К подобным особенностям относятся, в частности, обработка полисенсорной (иногда еще ее называют полимодальной) информации, адаптивная обратная связь, «взгляд изнутри» на объект, специфика механизмов межполушарной асимметрии мозга.
При изучении процессов восприятия человеком знаний о мире больше внимания традиционно уделялось этапам восприятия, формирования и, конечно, их компьютерному представлению. В настоящее же время на передний план выходят проблемы понимания и интерпретации знаний, полученных по различным сенсорным каналам (имеются в виду цветовые оттенки, шероховатость поверхности, трехмерное полизвучание и т. п.).
Подход к познанию мира, основанный на виртуальной реальности, предполагает отображение знаний в «кибернетическое пространство»(cyberspace)с учетом специфики человека на основе «левополушарной» (логико-комбинаторной) и «правополушарной» (целостной) стратегии обработки информации. В соответствии с «левополушарным принципом» реализуются сканирование по экрану, обход образа по контуру и логико-комбинаторная, численно-аналитическая и вероятностная обработки. «Правополушарный принцип» позволяет осуществить целостный охват входного паттерна на основе оценки многосвязности. Поэтому важным фактором в создании систем виртуальной реальности является использование нейросе-тевых моделей. Еще одной гранью «виртуальной реальности» являются формализованные рассуждения субъекта, основанные на его личностных представлениях о добре и зле, красоте, возможном и недопустимом, отображение этих рассуждений в cyberspace.
73. СОВРЕМЕННАЯ БИОЛОГИЯ
В последние десятилетия биология переживает период бурного развития, многие мыслители современности даже говорят о вступлении человечества на третий, «биологический» виток развития науки, когда большинство дисциплин будет иметь «биологический окрас».
Претерпев длительное историческое развитие, к XX в. биология пришла как мощная и разветвленная область научного знания, дифференцирующаяся на ряд дочерних дисциплин, обретших статус полновесных самостоятельных областей. В настоящее время к биологическим дисциплинам причисляют более 200 самостоятельных ветвей научного знания.
Необходимость решения поставленных научных задач требует значительных усилий во всех областях науки, одновременно признаком развития любой науки является возникновение межпредметных связей. Это обусловлено тем, что различные науки отражают различные стороны одной и той же объективной реальности, соответственно, для построения более полной картины окружающего мира логично и более того необходимо развитие новых подходов, возникающих на стыке различных дисциплин. Процесс интеграции - объединения знаний, возникновения смежных дисциплин, происходит параллельно и взаимосвязанно с процессом дифференциации знаний. В этом нет логического противоречия. Это и является причиной того, что наряду с такими классическими дисциплинами, как зоология или ботаника, нам все чаще приходится слышать о биотехнологии, социальной экологии, космической биологии и т. п.
Синтез и обобщение данных многих научных областей отражается и в арсенале методов исследования современной биологии, лежащих в русле системного подхода, сочетающих натурные наблюдения, эксперимент и моделирование. Соответственно целям и задачам множества направлений биологии набор методов исследования чрезвычайно велик, можно привести лишь самые распространенные, среди них:
- режимные систематические (мониторинговые) наблюдения за состоянием природных объектов и процессов;
- аналитические исследования природных и искусственных (техногенных) объектов;
- исследования морфологических параметров природных объектов;
- статистические методы оценки процессов и явлений;
- дистанционные методы исследований;
- методы математического моделирования;
- системный анализ и др.
Успехи биологических дисциплин, таких как селекция, генетика, генная инженерия, защита растений, позволили человечеству интенсифицировать производство продовольственных товаров, нарастить объемы получаемой продукции до небывалых величин.
Однако необходимо отметить, что в своей деятельности человечество до последнего времени упорно отказывалосьучитывать отрицательные стороны своей деятельности. Недоучет специфичности биологических систем различного уровня организации привел к возникновению ряда глобальных проблем, ставящих под угрозу само существование человечества как биологического вида. В связи с вышесказанным в настоя-щее время огромные усилия отдаются развитию комп-лексной междисциплинарной области знаний, возникшей в русле биологической науки - экологии. Несомненно, что в последние десятилетия экология оказала существенное влияние на развитие общества. Хотя решение глобальных проблем - дело будущего, уже сегодня имеются немалые достижения.
74. ИСТОРИЯ СТАНОВЛЕНИЯ И РАЗВИТИЯ БИОЛОГИИ
История биологии насчитывает много веков. Уже первобытным людям необходимо было иметь определенные знания о растениях и животных. В рамках общего развития естественных наук происходило и накопление знаний, ныне принадлежащих к области биологической науки. В трудах философов античности можно найти сведения биологического характера. Аристотель глубочайшим образом продумал теорию органического развития, будучи знатоком естественно-научных дисциплин, прежде всего зоологии, ботаники и связанных с ними проблем элементарных форм живого ощущения процессов жизни. Гиппократпредложил первую теорию, объясняющую инфекционные заболевания. Общий расцвет науки во времена античности сменился, как известно из истории, относительно «прохладным» периодом Средневековья, который характеризуется общим спадом в естественных науках, и в биологии в частности. По понятным причинам на данном этапе люди были знакомы лишь с представителями растительного и животного мира. Огромный толчок развитию биологии и использованию ее плодов, в частности, в медицине дало изобретение в XVII в. микроскопа голландцем А.Левенгуком. Человечество проникло в микромир, расширив свои представления о живом. Надо сказать, что сам факт существования микроорганизмов повлек за собой изменение взглядов на теорию самозарождения жизни. К. Линнеем предложена бинарная номенклатура видов - это также немаловажно, так как позволило систематизировать накопленный обширный, но весьма противоречивый фактический материал. Микроскопические исследования послужили основой для формулировки Т. Шванноми М. Шлейденом положений клеточной теории в XIX в. На рубеже XVIII-XIX вв. трудами Ж. Ламарка, А. Вейсмана, Ж. Кювье, Ч. Лайелла были заложены основы эволюционного учения, ставшего основой современной биологии. Чарльз Дарвин в своем основном труде «Происхождение видов путем естественного отбора» (1859) обобщил эмпирический материал современной ему биологии и селекционной практики на основе результатов собственных наблюдений во время путешествий, кругосветного плавания на корабле «Бигль» раскрыл основные факторы эволюции органического мира. Эволюционная теория имеет огромное значение не только для биологии, но и для всех естественных наук в целом, примечательно, что эволюционная теория существовала наряду с термодинамикой, описывающей по существу совершенно противоположные процессы. Второе начало термодинамики предсказывает миру все более однообразное будущее, рассеяние и деградацию энергии, упрощение структур. Эволюционная теория, напротив, провозглашает возможность образования сложного из простого, все усложняющееся развитие. Разрешить этот парадокс смогли лишь в XX в. Биология пришла как мощная и разветвленная область научного знания, дифференцирующаяся на ряд дочерних дисциплин, обретших статус полновесных самостоятельных областей. XX в. ознаменовался бурным развитием генетики, селекции, экологии, молекулярной биологии и ряда других дисциплин. В настоящее время на стыке биологических дисциплин с другими областями знаний возникают новые отрасли науки, такие как космическая биология и др.
75. ПРОБЛЕМА ЦЕЛОСТНОСТИ В БИОЛОГИИ
Объекты биологии, геологии, астрономии - это развивающиеся объекты-системы, и все они характеризуются таким общим свойством, как целостность. Но как она возникает? Сравнительный анализ процессов образования целостности в разных системах позволяет предположить, что наряду со специфическим существует и универсальный механизм формирования целостности. Конкретно-научные исследования показывают, что формирование целостности происходит параллельно с «расслоением» системы на уровни.
Механизм образования целостности выявляет И. B. Шмальгаузен. Он показал, что организм как целое совершенствуется в ходе и благодаря специализации частей, его составляющих. Причем чем больше специализация частей, тем больше они оказываются в зависимости друг от друга и от организма в целом. «Целое, несущее лишь общие функции, расчленяется на части с разными, более специальными функциями, - писал И. И. Шмальгаузен. - Целое дифференцируется, а части специализируются. Однако эта ав-тономизация выражается лишь в обособлении своей специфической функции. Жизнь любой части обеспечивается целым рядом общих функций...»
Развивающиеся объекты, будь то биологический, геологический или астрономический объект, характеризуются таким универсальным признаком, как целостность, а процесс образования целостности связан с формированием уровней организации.
Целостность предполагает упорядоченность, наличие классов частей в противоположность хаотическому смешению элементов. В результате возникает иерархическая система, где все разнообразие элементов подразделяется на соподчиненные уровни организации. Это правило действительно оказывается универсальным для строения систем. Иерархичность организаций заметна, если обратиться к биологическим объектам-системам: клетка - организм - популяция - биоценоз.
Перечисленные иерархии будем называть природными, во-первых, потому, что они содержат в качестве элементов реальные природные, а не идеальные образования, во-вторых, потому, что иерархические связи зафиксированы в самой природе. Нет организмов вне клеток, популяций вне организмов, горных пород вне минералов, галактик вне звезд и т. д. То есть существует реальная, не зависящая от наших представлений, от той или иной концепции уровней последовательность организации, где соблюдается включенность предшествующих объектов-систем в последующие. Названные иерархии во всех трех случаях носят чувственно-конкретный, эмпирический характер, деление на со подчиненные уровни основано на наглядной пространственной локализации составляющих иерархии. Однако наглядность не объясняет того, как возникают природные иерархии и какова их роль.
Для теоретического рассмотрения вопроса о биологической, геологической, астрономической системах характерно применение категории пространства и категории времени. Проблема заключается в том, что, несмотря на не вызывающую сомнения реальность составляющих названных иерархий, остается неясным механизм образования иерархичности в природе, следовательно, сохраняется проблематичность объективности иерархической организации. Небезосновательность такого вопроса подтверждается, в частности, тем, что нет однозначного критерия выделения природных иерархий.
76. СУЩНОСТЬ ЖИЗНИ, ПРОИСХОЖДЕНИЕ ЖИЗНИ, УРОВНИ ОРГАНИЗАЦИИ ЖИВОГО
Обычно понятие жизни определяют указанием наиболее существенных признаков живого, такие как:
- питание;
- дыхание;
- раздражимость;
- подвижность;
- выделение;
- размножение;
- рост.
Проблема происхождения жизни - одна из самых волнующих загадок для человечества. На эту проблему до сих пор имеются неоднозначные воззрения. В развитии учений о происхождении жизни существенное место занимает теория, утверждающая, что все живое происходит только от живого - теория биогенеза. Однако как теория происхождения жизни биогенез несостоятелен, поскольку принципиально противопоставляет живое неживому. Абиогенез - идея о происхождении живого из неживого, исходная гипотеза современной теории происхождения жизни. В 1924 г. известный биохимик А. И. Опарин высказал предположение, что при мощных электрических разрядах в земной атмосфере, которая 4-4,5 млрд лет назад состояла из аммиака, метана, углекислого газа и паров воды, могли возникнуть простейшие органические соединения, необходимые для возникновения жизни. В 1955 г. это было подтверждено экспериментально.
Теория биохимической эволюции. Коацерва-ты - обособленные в растворе органические многомолекулярные структуры. Это еще не живые существа. Их возникновение рассматривают как стадию развития преджизни. Наиболее важным этапом в происхождении жизни было возникновение механизма воспроизведения себе подобных и наследования свойств предыдущих поколений. Это стало возможным благодаря образованию сложных комплексов нуклеиновых кислот и белков. Нуклеиновые кислоты, способные к самовоспроизведению, стали контролировать синтез белков, определяя в них порядок аминокислот. А белки-ферменты осуществляли процесс создания новых копий нуклеиновых кислот. Так возникло главное свойство, характерное для жизни, - способность к воспроизведению подобных себе молекул. Жизнь возникла на Земле абиогенным путем. В настоящее время живое происходит только от живого. Возможность повторного возникновения жизни на Земле исключена.
Гипотеза творения (креационизм). Наряду с гипотезами абиогенного происхождения жизни существуют и другие гипотезы. Гипотеза творения утверждает, что жизнь была создана сверхъестественным существом в определенное время.
Гипотеза стационарного состояния. Жизнь существовала всегда. Согласно этой теории Земля никогда не возникала, а существовала вечно. Она всегда способна поддерживать жизнь, а если и изменялась, то очень мало. Виды тоже существовали всегда.
Гипотеза панспермии. Панспермия - гипотеза о повсеместном распространении во Вселенной зародышей живых существ. Согласно панспермии в мировом пространстве рассеяны зародыши жизни, которые движутся под давлением световых лучей, а попадая в сферу притяжения планеты, оседают на ее поверхности и закладывают на этой планете начало живого.
Уровни организации живых систем выражаются следующим образом:
- живая молекула (протоплазма);
- клетка с ДНК, РНК, белками и ферментами;
- организм, в котором реализуется наследственная информация;
- вид (популяция) - в его пределах осуществляются конкуренция и естественный отбор;
- биогеосфера, в которой реализуются геохимические функции живого вещества.
77. ЭВОЛЮЦИЯ ФОРМ ЖИЗНИ
Возраст самых ранних следов жизни (остатков бактерий) - около 3,5 млрд лет.
Докембрий. Самая древняя эпоха развития жизни - докембрийская - длилась свыше 3 млрд лет.
Первые обитатели нашей планеты были гетеро-трофами и питались за счет органических веществ, растворенных в первородном океане. Постепенно в первородном океане стали иссякать органические вещества, накопившиеся в нем абиогенным путем. Появление аутотрофных организмов обеспечило дальнейший непрерывный синтез органических веществ, а следовательно, существование и развитие жизни. Но аутотрофный синтез органических веществ сопровождался выделением кислорода в атмосферу. Накопление последнего изменило восстановительный характер атмосферы на окислительный, что привело к массовой гибели анаэробов. Это явление называют первым глобальным экологическим кризисом. Именно в это время и появились первые аэробные организмы, способные использовать кислород для дыхания. Присутствие свободного кислорода в атмосфере под воздействием грозовых разрядов привело к образованию озона, который и составил известный защитный экран, блокирующий коротковолновое излучение.
Важным этапом нужно считать появление первых многоклеточных существ. К концу докембрия земные моря населяли разнообразные животные: медузы, плоские черви, губки, полипы. Все они были мягкотелыми, лишенными скелета. Возникновение у животных скелета раковин, панцирей и так далее обозначило начало новой геологической эры.
Палеозойская эра, начавшаяся 570 млн лет назад, длилась 340 млн лет. Ученые делят ее на шесть периодов. Самый ранний из них - кембрий (он продолжался 70 млн лет). В этот период у самых разнообразных животных начинает развиваться скелет.
За кембрием следует ордовик (60 млн лет). В море процветают трилобиты. Появляются первые позвоночные.
В следующем периоде - силуре (30 млн лет) - на сушу выходят первые растения (псилофиты). Вслед за ними на сушу начинают переселяться животные - многоножки, черви, пауки и скорпионы.
У позвоночных появляется новый, неизвестный прежде орган - челюсти, произошедшие из жаберных щелей бесчерепных, одновременно у рыб возникают парные плавники, увеличивающие маневренность.
Следующий период - девон (60 млн лет). Сушу заселяют плауны, папоротники, хвощи, мхи. В их зарослях уже живут первые насекомые. Происходит выход на сушу позвоночных.
В девоне кистеперые рыбы дали начало первым земноводным - стегоцефалам.
Карбон, каменноугольный период (65 млн лет). Насекомые осваивают воздух. У растений появились семена вместо спор, у яиц рептилий - скорлупа.
Пермь (55 млн лет). Влажные леса из папоротников и плаунов исчезли. Широко разрослись хвойные. Земноводных теснят рептилии.
Мезозойская эра началась 230 млн лет назад и длилась 163 млн лет. Она делится на 3 периода: триас (35 млн лет), юру (58 млн лет) и мел (70 млн лет). Океаны Земли богаты моллюсками - белемнитами. Появляются цветковые. Мезозой, особенно юру, можно назвать царством рептилий. Но еще в самом начале мезозоя появляются млекопитающие.
Кайнозойская эра. (67 млн лет назад). Она продолжается и сейчас. Ученые разделяют ее на 3 периода: палеоген, неоген и антропоген. В последнем периоде появляется человек.
78. ПОНЯТИЕ БИОСФЕРЫ, КОНЦЕПЦИИ БИОСФЕРЫ
Биосфера (от греч. bios - «жизнь», sphaira - «шар») - одна из оболочек (сфер) Земли, состав и энергетика которой в существенных своих чертах определены работой живого вещества. Термин, введенный Э. Зюссом(1875), в результате работ В. И. Вернадского стал обозначать всю ту наружную область планеты Земля, в которой не только существует жизнь, но которая в той или иной степени видоизменена или сформирована жизнью. Биосфера включает в себя тропосферу, гидросферу, литосферу. С точки зрения иерархии уровней организации живой материи и системного подхода биосфера - совокупность всех экосистем (биогеоценозов). Все экологические ниши, пригодные для жизни, заняты биосферой, возникшей одновременно с появлением жизни на Земле (около 4 млрд лет назад) в виде примитивных протобиоценозов в первичном Мировом океане. Около 450 млн лет назад живые организмы стали заселять сушу, где их эволюция ускорилась, и в результате соотношение числа видов животных и растений в Мировом океане и на суше составляет примерно 1: 5. Основными факторами эволюции биосферы являются: абиотические (геологические, космические), биотические (изменчивость, т. е. мутации, наследственность, борьба за существование, естественный отбор), а также антропогенные, благодаря которым биосфера постепенно обретает черты ноосферы.
Под ноосферой понимается сфера взаимодействия природы и общества, в которой человеческий разум при посредстве технически оснащенной деятельности становится определяющим фактором развития. К появлению учения о ноосфере привело развитие естествознания Нового времени. Ж. Бюффон(1707-1778) обосновал геологическое значение человека. Д. Д. Дана (1813-1895) и Д. Ле-Конт (1823-1901) выявили эмпирическое обобщение, которое показывает, что эволюция живого вещества идет в определенном направлении, названном процессом цефализации. В 1922-1923 гг. В. И. Вернадский, читая лекции в Париже, выдвинул тезис о биогеохимических явлениях как основе биосферы. В 1927 г. французский математик и философ Е. Ле-руа ввел понятие ноосферы как современной стадии, геологически переживаемой биосферой.
Подчеркнем: ноосфера - это некоторое вполне определенное состояние биосферы, в котором человечество играет роль управляющей подсистемы, реализующей программу (стратегию) обеспечения дальнейшего развития общества в условиях дальнейшего развития биосферы.
Формирование ноосферы согласно В. И. Вернад-скомуопределяется следующими условиями и предпосылками.
1. Человечество стало единым целым. Ход мировой истории охватил весь земной шар, включив в единый процесс различные культурные области, некогда существовавшие изолированно.
2. Преобразование средств связи и обмена сделало регулярным и систематическим обмен веществом, энергией и информацией между различными элементами ноосферы.
3. Овладение новыми источниками энергии дало человеку возможность коренного преобразования окружающей среды.
4. Растет благосостояние народных масс, трудом и разумом которых создается ноосфера.
5. Осознаны равенство всех людей и важность исключения войн из жизни общества.
В. И. Вернадский считал, что такое состояние биосферы обязательно наступит.
79. СТРУКТУРА ЭВОЛЮЦИИ БИОСФЕРЫ
Биосфера представляет собой многокомпонентную иерархическую систему. Различные компоненты системы связаны между собой разными категориями связи. Имеется постоянный источник энергии - излучение Солнца. Прогрессирующая буферность биосферы, обусловленная ее многокомпонентностью, обеспечивает стабильность вновь возникающих систем. Ведь в итоге отбора сохраняются стабильные системы. Наследственная изменчивость, изменение условий жизни в итоге жизнедеятельности, а также в результате абиогенных причин открывают неограниченные возможности прогрессивной эволюции. Лишь в ветви, ведущей к человеку, тенденция развиваться вне конкуренции и без контролирующей роли естественного отбора нашла свое достаточно полное выражение. Закономерности эволюции биосферы обусловлены тремя факторами: своеобразием отношения биосферы к среде, взаимодействием живого и неживого в пределах биосферы, особенностями взаимных отношений между организмами.
Жизнь возникла на основе круговорота органического вещества, обусловленного взаимодействием процессов его синтеза и деструкции. В ходе очередной дифференциации из круговорота органического вещества выделился биотический круговорот, в котором основную роль стали играть организмы. Так возникла биосфера. Сначала биосфера функционировала путем взаимодействия одноклеточных синтетиков и деструкторов между собой и с абиотическими факторами. Затем в итоге новой дифференциации появились многоклеточные организмы.
При размножении и захвате поверхности планеты живое вещество как бы растекается по ней, заселяя тем большую территорию, чем меньше оно встречает препятствий. Движет эволюцию противоречие между безграничной способностью к размножению и ограниченностью материальных ресурсов. Противоречие разрешается путем овладения новыми источниками вещества и энергии, а следовательно, и новой информацией. Изменчивость живого - предпосылка, а отбор - способ закрепления и совершенствования организации.
Биосфера не только сфера жизни. Это видно из состава вещества биосферы, состоящего из глубоко разнородных, геологически не случайных частей. Во всякой экосистеме можно выделить следующие компоненты:
- неорганические вещества - углерод, азот, углекислый газ, вода и т. д.;
- органические соединения - белки, углеводы, ли-пиды, гуминовые вещества и т. д.;
- факторы, связывающие биотическую и абиотическую части экосистемы - климатический режим, температура и другие физические факторы;
- продуценты - автотрофные организмы, главным образом зеленые растения, которые способны создавать пищу из простых неорганических веществ;
- консументы - гетеротрофные организмы, главным образом животные, которые поедают другие организмы или частицы органического вещества;
- редуценты (деструкторы, декомпозиторы): гетеротрофные организмы, преимущественно бактерии и грибы, которые расщепляют сложные соединения до простых, пригодных для использования продуцентами.
Первые три группы - неживые компоненты, а остальные составляют живую биомассу. Расположение трех последних компонентов относительно потока поступающей энергии представляет собой структуру экосистемы. Развертывание видимой нами структуры биосферы происходило в процессе эволюции живого в тесной связи со средой.
80. ЭКОЛОГИЯ ЗНАНИЯ, ИЛИ ГЛУБИННАЯ ЭКОЛОГИЯ
Глубинная экология возникает в контексте поиска путей выхода из экологического кризиса. Она существует в ряду таких подходов, как концепция устойчивого развития, ноосферная концепция, но в то же время она ориентирована на эволюцию человека, переход в новую эволюционную стадию через сознательную трансформацию сознания (в то время как устойчивое развитие - через консолидацию политики, экономики, технологии; ноосферная концепция, по Вернадскому, - это естественный процесс).
Термин «глубинная экология» предложен норвежским философом А. Нейсом в 1973 г. В глубинной экологии ставятся под вопрос «базисные принципы нашего общества» (А. Нейс), при этом глубинная экология не чувствует себя ограниченной рамками науки.
В отличие от экологической этики, стремящейся доказать моральную значимость нечеловеческого мира, глубинная экология, как отмечает В. Е. Ермолаева, «разрывает рамки этических проблем, превращаясь в философию отношений с природой». Глубинная экология не ориентирует ни на аксиологию природной среды, ни на теорию этики отношений с ней, ни на реформу существующей практики. Она ориентирует на развитие экологической чувствительности, покоящейся не на моральном долженствовании (подобно практическому разуму), а на «спонтанном развертывании своего „я“ („... любовь высказывается без всяких моральных увещеваний. Вы заботитесь о себе, не испытывая морального принуждения...“)». Глубинная экология считает, что радикальный сдвиг в сознании сможет изменить наши приоритеты. «Мы должны измениться на пути к подлинно экологическому типу восприятия, мышления, практики. И наше изменение должно дойти до уровня осознания того, что наше „я“ является частью более объемлющего „я“, которое и будет направлять наши действия». Глубинная экология выходит за пределы узкоматериалистического понимания реальности, здесь тоже холистическое мировоззрение (материальный и духовный аспекты сплавляются вместе). Расширение и углубление нашей самотождественности, формирование ощущения причастности к окружающему миру ведут от атомистического, индивидуалистического чувства к сознанию холистическому, соучаствующему. Философский подход к анализу экологической проблемы должен быть связан с поиском нового типа мышления, или (более широко) с поиском новой метафизики, включающей такое представление о мире, человеке, его ценностях, которое обеспечивало бы коэволюцию человека и природы.
Философы обращаются к анализу оснований Западной цивилизации и обнаруживают истоки экологического кризиса в противопоставлении человека природе, в лишении природы сакральности, смысла и души. Ответственность за это лежит не только на науке, но и на культуре в целом. Именно христианство, считает Л. Уайт, не только установило дуализм человека и природы, но и настояло на том, что воля Божия именно такова, чтобы человек эксплуатировал природу ради своих целей.
Односторонность развития европейского человека, превращающего все сущее не только в объект рационализации и познания, но и в объект обладания и потребления, явилась одной из основных причин экологического кризиса.
81. ЭКОЛОГИЧЕСКИЕ ПРОБЛЕМЫ СОВРЕМЕННОСТИ
Глобальные процессы образования и движения живого в биосфере обусловлены круговоротом огромных масс вещества и колоссальных потоков энергии. Процессы, происходящие с участием живого вещества, превосходят чисто геологические по интенсивности и скорости. Человечество же создает дополнительный, антропогенный канал.
С древнейших времен деятельность человека ощутимо отражалась на облике биосферы. Эволюция человеческого общества предстает как совокупная эволюция умственных способностей человека, освоения более эффективных источников энергии, орудий и технологий труда, науки и культуры. Адаптация шла по двум направлениям:
- человек приспосабливался к новым природным условиям, менял свой способ хозяйства и вырабатывал новый стереотип поведения;
- человек приспосабливал природу под себя, создавая вторичные, антропогенные геобиоценозы. Многие характеристики развития человеческого общества имеют интересную особенность - графически их можно представить в виде кривой, близкой к экспоненте. Если рассмотреть рост численности, скорость научно-технического прогресса, эти зависимости именно таковы. Масштабы воздействия человека на биосферу стали сравнимы с масштабами естественных процессов, человечество стало мощной силой, преобразующей лик планеты, в результате чего стали заметны определенные сдвиги в биосферных процессах.
Человечество изменяет множество характеристик биосферы. Например, ежегодные выбросы порядка 20 млрд т углекислого газа, и это при его естественном запасе в 50 млрд т!
В процессе совместной эволюции общества и природы, предсказывал В. И. Вернадский, биосфера должна будет преобразоваться в новое состояние - ноосферу - сферу разумной жизни. Опыт всех предшествующих поколений и настоящего времени показывает, что человечество, к сожалению, движется не к созданию гармоничной с природой ноосферы, а по пути деструкции биосферы и замены ее инженерно-техническими сооружениями (техносферой). Увеличение концентрации углекислого газа вкупе с повышением содержания аэрозольных частиц приводит к изменению прозрачности атмосферы и, как следствие, изменению теплового баланса планеты. В результате преобразования человеком естественных местообитаний, а также и прямого уничтожения исчезают многие виды живых организмов, снижается биоразнообразие, являющееся основой устойчивости экосистем. Нерациональное ведение сельского хозяйства приводит к истощению почв и распространению процессов опустынивания, нарушению водных режимов территорий. Возможно, самым грозным проявлением воздействия человека на биосферу является загрязнение окружающей среды. Под загрязнением в самом широком смысле понимают все тела, явления, процессы, которые не в том количестве или не в то время появляются в окружающей среде и могут тем самым вывести экосистемы из равновесия. Подчеркнем, что это не только выброс химических веществ, но и физическое воздействие (излучение, шум, вибрация), а также внесение биологических агентов. Влияние загрязнений может проявляться различно, но это всегда нарушающее воздействие, приводящее к стрессу, деградации, а в конечном итоге и гибели экосистемы.
82. ГЕНЕТИКА
Начало XX в. ознаменовалось бурным ростом и серией фундаментальных открытий в области генетики. Были переоткрыты законы Менделя, обоснованы представления о носителях наследственной информации - гене и хромосоме, установлены принцип чистоты гамет, законы доминирования, гибридологический анализ. В середине XX в. произошел революционный переход от белковой к нуклеиновой трактовке наследственности. Впервые перенос генов от одного организма к другому осуществили в 1944 г. трое британских ученых: О. Эве-ри, К. Мак-Леод и М. Мак-Карти. Ученые научились расшифровывать не только структуру ДНК в целом (это сделали в 1953 г. англичане Ф. Крик и Дж. Уотсон), но и непосредственно последовательность нуклеотидов. В 2001 г. был расшифрован геном человека.
Дезоксирибонуклеиновая кислота (ДНК) - это две скрученные вокруг общей оси в спираль цепочки из соединенных друг с другом в определенной последовательности четырех элементов - нуклео-тидов. Их линейная последовательность(первичная структура ДНК), строго индивидуальная и специфичная для каждого достаточно длинного отрезка ДНК, и есть кодовая запись биологической (генетической) информации. Одну цепочку нуклеотидов называют «смысловой», другую, комплементарную (спаренную с ней по всей длине), - «антисмысловой». Принцип комплиментарности лежит в основе наследственности. ДНК - единственное вещество, способное к самовоспроизведению своей структуры. ДНК, хранящаяся и работающая в клеточном ядре, копирует не только саму себя. В нужный момент определенные участки ДНК (гены) воспроизводят свои копии в виде химически подобного полимера - рибонуклеиновой кислоты (РНК), которые в свою очередь служат матрицами для производства всех необходимых организму белков. Именно белки, по мнению большинства ученых, определяют все признаки живых организмов. ДНК - РНК - белок - вот центральная догма всей молекулярной биологии.
В 1950-х гг. выяснилось, что, кроме клеточных генов, в природе существуют и независимые гены - вирусы. Вирус - это упакованный в белковую оболочку генетический материал. Болезнь и даже смерть обычно вызывают чужеродные вирусные белки. В других случаях человек не умирает, но может болеть всю жизнь. Человечество испытывает трудности с белком интерфероном, обладающим противовирусной активностью. Интерферон вырабатывается любым животным организмом, но нечеловеческий интерферон для лечения людей непригоден. Человек же вырабатывает слишком мало интерферона для его выделения с фармакологическими целями. Поэтому ген человеческого интерферона был введен в бактерию, которая вырабатывала человеческий интерферон. Сейчас эта техника применяется во всем мире.
Человечество научилось направленно, избирательно воздействовать на генетический аппарат различных организмов, продуцируя организмы с чужеродными генами. Возникли методы, с помощью которых можно резать ДНК в нужных местах и «клеить» с любым другим кусочком ДНК, причем не только с готовыми генами, но и с рекомбинантами - комбинациями разных, в том числе искусственно созданных, генов. Это направление получило название генной инженерии. На ее основе родились два больших практических направления - биотехнология и генная инженерия.
83. ЕВГЕНИКА
Наследственность - это свойство живых организмов сохранять и передавать потомству особенности своего строения, функций и развития. Благодаря наследственности из поколения в поколение сохраняются признаки вида, сорта, породы.
Изменчивость - это способность организмов изменять свои признаки и свойства.
Наследственная изменчивость связана с изменением генотипа особи, поэтому возникшие изменения наследуются. В природе мутации появляются под влиянием различных внешних и внутренних факторов. Характер мутаций предсказать трудно.
Также выделяют модификационную изменчивость - изменчивость, не связанную с изменением генотипа. Ее пределы, степень изменяемости признака в зависимости от условий среды называют нормой реакции, которая позволяет организмам приспосабливаться к разным условиям среды и оставлять потомство.
Мутациями называют скачкообразные стойкие наследственные изменения. Мутации делятся на спонтанные (возникают в природе без вмешательства человека) и индуцированные (вызываются специальным воздействием искусственных источников). Способность к мутированию является одним из основных свойств гена. Причины мутаций до конца не выяснены, но установлена их зависимость от физиологического состояния клетки, режима питания, температуры и других естественных факторов.
Учение о наследственном здоровье человека и путях его улучшения называется евгеникой. Принципы евгеники были впервые сформулированы в 1869 г. Френсисом Гальтоном, предположившим изучать влияния, которые могут улучшить наследственные качества (здоровье, умственные способности, одаренность) будущих поколений. Интерес к евгеническим идеям был особенно значительным в первой четверти XX в., в период бурного развития генетики и накопления данных по наследованию признаков у человека.
В связи с повышением фона ионизирующей радиации и загрязнениями окружающей среды мутагенами (факторами, вызывающими мутации у организма) число вредных мутаций у человека возрастает. Ежегодно в мире появляются на свет 75 млн детей, из них около 1,5 млн рождаются с наследственными болезнями. С наследственностью связана предрасположенность к раку, туберкулезу. Известны серьезные дефекты нервной системы и психики (слабоумие, эпилепсия, шизофрения), крови (гемофилия, злокачественные анемии).
Прогрессивные ученые ставили перед евгеникой гуманные цели. Однако ее идеи нередко использовались для оправдания расизма (например, фашистская расовая теория). Расизм - это совокупность антинаучных концепций, основу которых составляют положения о физической и психической неравноценности человеческих рас и о решающем влиянии расовых различий на историю и культуру общества, об исконном разделении людей на высшие и низшие расы, из которых первые якобы являются единственными создателями цивилизации, призванными к господству, а вторые не способны к созданию и даже усвоению высокой культуры и обречены на эксплуатацию. Следовательно, потомки низших рас не могут достичь уровня развития высших.
Это дискредитировало не только евгенику как научную дисциплину, но и сам термин «евгеника». В современной науке многие проблемы евгеники, особенно борьба с наследственными заболеваниями, решаются в рамках генетики человека.
84. СОВРЕМЕННАЯ АНТРОПОЛОГИЯ
Антропогенез - процесс исторического развития человека, того биологического вида, к которому принадлежим мы все. Важнейшее значение в разработке теории антропогенеза имеет положение Ф. Энгельса о ведущей роли социальных факторов труда в формировании человека. Другой краеугольный камень учения об антропогенезе - общая теория эволюции и гипотеза происхождения человека от обезьян Ч. Дарвина. Вопрос о происхождении человека он рассматривал в русле развития жизни с естественнонаучных позиций, и обосновал положение, согласно которому человек появился в результате эволюции животного царства. Теория Дарвина обоснована с помощью сравнительно-эволюционного метода.
Ф. Энгельс обсуждал проблему происхождения человечества как социума. Ч. Дарвинже рассматривал проблему происхождения человека не в социальном аспекте, а сугубо с точки зрения биолога. В. П. ААлек-сеев, выделяя семейство гоминид с входящим в него видом Homo sapies, утверждал, что для определения границы между животным и человеком нужно исходить не из факта изготовления орудий, не из возникновения в морфологии человека предпосылок трудовой деятельности, не из его социальной природы, а из собственно морфологических различий между человеком и ближайшими к нему предковы-ми формами. Современная наука подтверждает положение Ч. Дарвина о переходе к прямохождению как части эволюционного процесса.
В последние 20 лет в изучении проблем антропогенеза произошла революция. Ее причинами были: обширные раскопки, особенно в Экваториальной Африке, приведшие к открытию множества костей древних обезьян и людей; новые методы определения возраста горных пород, основанные на анализе радиоактивных изотопов. В результате стало ясно, что гоминиды древнее на миллионы лет, чем предполагали ученые в XIX в.
В теории становления человека существуют два течения. Классическое - моноцентризм - говорит об одной прародине человечества на африканском континенте. Полицентризм утверждает, что существовали несколько независимых зон антропогенеза, одна из которых могла располагаться не просто в Азии, но даже в зоне с крайне суровыми климатическими условиями.
Человек является высшим, но не последним звеном эволюции жизни на Земле. Человек как биологический вид вследствие углубляющихся противоречий между состоянием окружающей среды с возможностями и потребностями человека находится в кризисе, который может завершиться постепенным его вырождением. В этих условиях началось формирование нового биологического вида, который вытеснит человека и займет его место на планете. Важнейшим его свойством может быть переход от речи к телепатическому общению. При этом все особи вида будут использовать единое информационное поле, что позволит создать интеллектуально единое общество и избавиться от использования подавляющего числа технических средств. Другие ученые полагают, что биологическая эволюция человека прекратилась, сменившись социальной. Но эволюция всегда шла таким образом, что в ее процессе возникали все более сложные системы. Наиболее сложной из них является мозг человека. Именно мозг генерирует все рациональные схемы, к которым человек приспосабливает себя, свою деятельность и окружающий его мир.
85. ВЗАИМОСВЯЗЬ КОСМОСА И ЧЕЛОВЕКА
Идеи русского космизма становятся особенно популярными в наше время, в том числе и благодаря тому, что многие предсказания космистов сбылись и продолжают сбываться.
П. А. Флоренский является одним из тех, кого по праву относят к традиции «русского космизма». Он считал, что существует «идеальное родство» мира и человека, их «пронизанность друг другом», взаимосвязанность. Подобно древнегреческой философам, он соотносит мир и человека как макрокосмос (космос, большой мир, среду) и микрокосмос, являющийся в своем роде образом и подобием Вселенной и несущий в себе все, что есть в мире. И мир, и человек одинаково сложны и внутренне бесконечны, поэтому они могут рассматриваться как части друг друга.
Можно выделить несколько бесспорных идей космизма В. Н. Соловьева:
- идея всеединства, вечного органически целостного истинно сущего мира, которая имеет религиозный характер;
- тайна сопричастности человека космосу в его (человека) божественной природе (человек, являясь посредником между Богом и материальным бытием, проводником единящего действия на стихийную множественность, человек - устроитель и организатор Вселенной).
В космосе Соловьева главенствуют нравственно-религиозные смыслы (целесообразности), которые определяют существо всех фаз и узловых моментов его эволюции и бытия.
Проблема полноты познания вообще не может быть представлена как гносеологическая, тем самым Соловьевкритикует рациональность как отвлеченное начало, подчиняя и преобразуя ее в свете религиозного опыта и мистического созерцания.
Космос, космическое в философском сознании обычно были воплощением беспредельного, абсолютного, недоступного ограниченному человеческому пониманию, оставаясь предметом медитации, высокого восхищения, смешанного с трепетом ужаса перед бездной небытия. Созерцательное отношение к космосу, уходящее в глубокую древность, преобладало многие века. И только начиная с Е. П. Федорова в философию и науку входит требование преобразовательной активности со сторонычеловечества, направленной на макрокосмос. Пророческая идея Федорова о неразрывной связи космоса и человека находит свое подтверждение в современных научных подходах. В этой связи можно привести в качестве примера антропный принцип. Он состоит в следующем: мир не был бы таким, каков он есть, если бы в нем не было наблюдателя. Если бы мир был другим хоть немного, нас бы не было. Чуть бы сместились параметры составляющих мира, какая-нибудь элементарная частица была бы другой или исчезла, - не явились бы ни жизнь, ни сознание. Поэтому, когда мы ставим задачу изменения или мира, или человека, необходимо будет учитывать этот принцип. Изменять свою природу можно только вместе с изменением мира в том же направлении, и наоборот, когда человек, не изменяя себя, не став на путь собственного одухотворения, начинает покорять или преобразовывать природу (или мир), он приходит к неизбежному дисбалансу, к кризису, экологическому и нравственному. Такое одностороннее вмешательство, произведенное несовершенным, но самодовольным человеком в природу (вместо регуляции, сознательной и разумной), приводит к истощению природы, которая, как бумеранг, обрушивается на самого человека.
86. ПРИНЦИПЫ УНИВЕРСАЛЬНОГО ЭВОЛЮЦИОНИЗМА
Различают две формы развития, между которыми существует диалектическая связь: эволюционную, связанную с постепенными количественными изменениями объекта (эволюция), и революционную, характеризующуюся качественными изменениями в структуре объекта (революция). Выделяют прогрессивную, восходящую линию развития (прогресс) и регрессивную, нисходящую линию (регресс).
Эволюция в широком смысле - представление об изменениях в природе и в обществе, их направленности, порядке, закономерностях; определенное состояние какой-либо системы рассматривается как результат более или менее длительных изменений ее предшествовавшего состояния; в более узком смысле - представление о медленном, постепенном количественном изменении.
Эволюционная теория (эволюционизм) зародилась и развилась в XIX в. в качестве оппозиции представлению о неизменности мира, но своего апогея она достигла в нашем столетии, и ее принятие можно считать достижением XX в. В прошлом веке идея неизменчивости органического мира нашла свое яркое выражение в лице Ж. Кювье. Он исходил из своей теории постоянства и неизменности видов и ее двух основных принципов - принципа корреляций и принципа условий существования. Теория типов, теория гармонии природы и теория неизменности видов прекрасно согласовались друг с другом и составляли фундамент естествознания первой половины XIX в. Впервые обосновал эволюцию Ч. Дарвин.
В XX в. идею гармонии природы сменила идея эволюции. Принцип гармонии природы, теория типов и представление об устойчивости вида отодвинулись в сознании людей на задний план, а многим казались опровергнутыми. С течением времени, однако, полное обоснование эволюционной идеи породило свою противоположность. В науке XX в. вновь возродилась идея устойчивости. И с тем же благородным рвением, с каким человеческая мысль разрушала теорию типов и теорию неизменности видов, она устремилась на поиски механизмов поддержания устойчивости.
В. И. Вернадский сумел раскрыть на уровне биосферы в целом взаимодействие эволюционного процесса и идеи устойчивости живой природы. По сложившемуся мнению вершина его творчества - учение о биосфере и об эволюционном переходе ее под влиянием человеческого разума в новое состояние - ноосферу. Основные направления поиска в эволюционной теории - это разработка целостных концепций, отражающих системный характер изучаемых явлений.
Общепризнан тезис о движении как атрибуте материи, но можно ли считать атрибутом материи развитие? Решение вопроса об атрибутивном характере развития связано с тем содержанием, которое вкладывается в понятие «развитие». Обычно выделяют три подхода: развитие как круговорот; развитие как необратимое качественное изменение; развитие как бесконечное движение от низшего к высшему. Эти подходы справедливы, когда речь идет не о материи вообще, а о каком-либо материальном образовании.
Одной из фундаментальных черт современного естествознания и направлений его диалектизации является проникновение в систему наук о природе эволюционных идей, которые связаны с концепцией иерархии качественно своеобразных структурных уровней материальной организации, выступающих как этапы эволюции природных объектов.
87. ФИЗИОЛОГИЯ ЧЕЛОВЕКА
Физиология - наука о жизнедеятельности целостного организма и его отдельных частей, клеток, органов, функциональных систем. Это весьма разветвленная наука, охватывающая многие проблемы, связанные с механизмами различных функций живого организма (ростом, размножением, дыханием и др.), с их взаимодействием, регуляцией и приспособлением к внешней среде, происхождением и становлением в процессе эволюции.
С биологической точки зрения появление человека разумного может казаться вполне ординарным событием. Однако человек - носитель разума, мысли - это особый феномен природы. В процессе развития живых систем сформировался мозг - материальная основа разума. Элементы разумного поведения проявляют многие высшие животные и некоторые птицы. Но полноценное проявление разума в биосфере присуще только человеку, так как лишь в его социальном сообществе сформировалась, а затем развивалась коллективная память, названная В. И. Вернадским научной мыслью.
Простейшим функциональным элементом мозга является структурный ансамбль нервных клеток-нейронов со сложными и фиксированными разветвлениями взаимосвязей. Один ансамбль обычно управляет вполне определенным процессом или одной функцией организма.
Эволюция мозга, его усложнение происходили не столько за счет роста числа нейронов, сколько за счет организации и упорядоченности как отдельных структурных ансамблей, так и центров, объединяющих отдельные функции в сложные поведенческие реакции. Структурные ансамбли разветвляются в форме вертикальных колонок, включающих клетки древних слоев мозга, расположенных в его нижних пластах, и клетки более поздних поверхностных слоев. В результате усложнения связей и увеличения их числа происходят и качественные изменения структурных ансамблей.
Структурные ансамбли мозга человека и приматов, определяющие такие функции, как зрение, слух и двигательные реакции тела, мало различаются между собой. Существенные отличия выявлены в размерах и связях структурных ансамблей мозга человека, ведающих его речью и двигательными реакциями рук, особенно кистей, и определяющих способность человека к трудовой деятельности. У человека заметно выделяются лобные доли, которые согласно сложившимся представлениям осуществляют интеграцию различных функций мозга в целенаправленные поведенческие реакции, а также участвуют в ассоциативных и обобщающих мыслительных процессах.
Несмотря на многие достижения современного естествознания, мозг человека остается одним из самых загадочных объектов исследования. Тем не менее к настоящему времени удалось определить функции нейромедиаторов, с помощью которых передаются биохимические сигналы от одного нейрона к другому, и выяснить механизмы действия кратковременной и долговременной памяти живых организмов.
Мозг как единая система обладает удивительным свойством - памятью. Память зависит не только от конкретных биохимических процессов в отдельных нервных клетках, но прежде всего от того, в каких именно клетках они происходят, от расположения их в том или ином отделе мозга и их связи друг с другом. Основа памяти - установление связи между воспринимаемыми образами, нервными клетками и их ансамблями, между отделами и уровнями мозга.
88. ПУТЬ К ЕДИНОЙ КУЛЬТУРЕ
Взаимоотношения науки с другими отраслями культуры не были безоблачными. Борьба за духовное лидерство принимала жесткие, порой жестокие формы. В Средние века политическая и с нею духовная власть принадлежала религии, и это накладывало отпечаток на развитие науки. Она в основном должна была служить доказательством теологических истин.
Культура же развивается не только эволюционным путем накопления отдельных достижений, но и революционным путем смены значения ее отраслей. Программа Сократа достичь всеобщего блага посредством философского знания оказалась нереализованной и пала под давлением античного скептицизма. Люди поверили Христу и полтора тысячелетия ждали второго пришествия, но дождались индульгенций богатых и костров инквизиции.
В эпоху Возрождения господство религиозного мышления и церкви было подорвано как изнутри, так и снаружи. Философские и религиозные усилия по созданию общезначимых знания и веры, приносящих людям счастье, не оправдались, но потребность в систематизации и единстве знаний и счастья осталась, и теперь наука дала надежды на ее реализацию. Борьба между наукой и культурой вступила в решающую стадию.
Произошел великий переворот в развитии культуры - наука поднялась на ее высшую ступень. В современном виде наука сформировалась в XVI-XVIII вв., и тогда же ей удалось одержать победу над другими отраслями культуры и прежде всего над господствовавшей в то время религией. Наука победила в XVII в. все другие отрасли культуры и сохраняла доминирующую роль до XX в. Своей победой она обязана прежде всего естествознанию, которое лежит в фундаменте научного знания.
В XX в. создалось своеобразное научное лобби, которое получило название сциентизма (от лат. сци-енция - «наука»). Именно в наше время, когда роль науки поистине огромна, появился сциентизм с представлением о науке, особенно естествознании, как о высшей, если не абсолютной, ценности. Эта научная идеология заявила, что лишь наука способна решить все проблемы, стоящие перед человечеством, включая бессмертие.
Для сциентизма характерны абсолютизация стиля и метода точных наук, объявления их вершиной знания, часто сопровождающегося отрицанием социально-гуманитарной проблематики как не имеющей познавательного значения. На волне сциентизма возникло представление о никак не связанных друг с другом «двух культурах» - естественно-научной и гуманитарной.
В рамках сциентизма наука рассматривалась как единственная в будущем сфера духовной культуры, которая поглотит ее нерациональные области. В противоположность этому также громко заявившие о себе во второй половине XX в. антисциентистские высказывания обрекают ее либо на вымирание, либо на вечное противопоставление человеческой природе.
Антисциентизм исходит из положения о принципиальной ограниченности возможностей науки в решении коренных человеческих проблем, а в своих проявлениях оценивает науку как враждебную человеческую силу, отказывая ей в положительном влиянии на культуру. Да, говорят критики, наука повышает благосостояние населения, но она же увеличивает опасность гибели человечества и Земли от атомного оружия и загрязнения природной среды.
Быть может, век науки подходит к концу на самой вершине ее власти?
89. БИОЭТИКА
Существует такая наука - деонтология. Считают, что начало ей положил Гиппократ своим знаменитым «не навреди». Хотя понятно, что истоки деонтологии теряются в глубине веков, ибо она касается медицинской этики, моральных норм для врачующего. Любой врач-практик, наверное, сталкивался с драматическими ситуациями, когда смерть действительно казалась лучшим выходом для больного.
Есть ли жизнь за... жизнью? Наверное, пока существует человечество, оно будет задавать себе этот вопрос вновь и вновь. Верующие различных конфессий, атеисты, просто обыватели по-разному отвечают на него. История религии и культуры дает нам множество доказательств того, что в древних обществах вера в загробную жизнь появлялась лишь при достаточно высоком уровне развития интеллекта, особенно абстрактного мышления. Многочисленные исследования религиозных текстов, фольклора, археологические изыскания (вплоть до неандертальской культуры) позволяют проследить развитие идеи о бессмертии души. Но цель в другом: хотелось рассмотреть явления, которые часто используют для доказательства существования жизни после смерти.
Существуют исследования, будто поначалу в трупе поднимается температура, вернее, из тела умершего уходит больше тепла, чем оно могло содержать в момент смерти. Установившие этот факт авторы пришли к выводу, что это результат отделения духа от тела, и таким образом, по их мнению, душа приобретает объективно ощутимую данность.
Однако такие опыты могут иметь вполне материалистическое объяснение, душа тут ни при чем. В качестве одного из объяснений можно привести такое: в живом организме происходит множество ферментативных реакций. После смерти активность разных ферментов падает неравномерно. Например, ферменты, обусловливающие синтез, выключаются раньше, чем гидролитические. Не одновременно инактивиру-ются и окислительно-восстановительные ферменты. Исходя из этого нетрудно представить такую картину: живому организму присущ, скажем, гидролиз гликогена. В окислении образовавшейся глюкозы принимало участие множество ферментов. С помощью одних получаемая энергия шла на непосредственные нужды организма, с помощью других - запасалась в АТФ или АДФ. Но вот после смерти часть ферментов вышла из строя, а часть еще функционирует. Позже других выключаются те ферменты, которые активируют экзотермические реакции. Вот и происходит «сгорание» без использования выделяемой энергии, а следовательно, выделение тепла.
В стандартных ситуациях переход от живого к неживому фиксируется достаточно точно (в пределах нескольких десятков секунд). А вот нестандартные случаи (их достаточно много, и достижения медицины увеличивают их число) как раз и дают пищу для легенд, газетных и журнальных сенсаций. Но это не главное. Главное, что с такими случаями связано множество моральных, юридических, медицинских и других проблем.
По определению ВОЗ, жизнь окончена, когда мозг как главный орган, определяющий существование человека, прекращает свою деятельность. Смерть мозга можно считать биологической смертью - это, пожалуй, единственное, в чем сегодня сошлись ученые и христианские богословы. Но критерии смерти мозга едва ли смогут быть приняты единогласно в ближайшем будущем.
90. ЗДОРОВЬЕ, ЗДОРОВЫЙ ОБРАЗ ЖИЗНИ, РАБОТОСПОСОБНОСТЬ, ТВОРЧЕСТВО
Здоровье - это состояние полного физического, психического и социального благополучия. Здоровье имеет не только физиологический, но и социально-этический, культурологический аспект. Здоровье включает и отношение ответственности: матери к своему будущему ребенку, родителей к детям, врача к пациентам, государства к населению, человека к самому себе. Здоровье, с одной стороны, объективное состояние организма (включая и состояние психики), с другой стороны, это большая ценность.
В сохранении здоровья населения огромное значение имеют профилактическая работа, систематические периодические профосмотры, которые способствуют ранней диагностике заболеваний и их своевременному эффективному лечению. Здесь многое зависит от врачей и от больных; если все они относятся к лечению с максимальной ответственностью, то обеспечивается полное или хотя бы частичное выздоровление.
Здоровье - это индивидуальное душевно-телесное состояние, выражающееся в способности человека удовлетворять свои жизненные потребности. Здоровье характеризуется биологическим потенциалом (наследственными возможностями), физиологическими резервами жизнедеятельности, нормальным психическим состоянием и социальными возможностями реализации человеком всех генетически детерминированных задатков.
В сохранении и укреплении здоровья большую роль играет здоровый образ жизни. По мнению А. В. Сахно, к ним относятся:
- деятельное в биологическом и социальном отношении существование человека (индивидуальная и общественнополезная, духовная или физическая деятельность);
- отказ от вредных привычек (злоупотребления алкоголем, курения, употребления наркотиков и токсических веществ);
- рациональное питание, сбалансированное качественно (белки, жиры, углеводы, витамины, микроэлементы) и количественно (энергетическая ценность пищи и расход энергии в процессе деятельности);
- рациональная двигательная активность;
- соблюдение общечеловеческих норм и принципов морали.
Цель здорового образа жизни - создать условия для продолжительной, полноценной, насыщенной впечатлениями, эмоциями и радостью жизни человека, его активной творческой деятельности.
Физическое и духовное здоровье человека является основой его жизнедеятельности и работоспособности, т. е. его способности к работе, к физическому и умственному труду. Сохранению работоспособности на высоком уровне помогают тренировка, многократное повторение какой-либо работы. Важное значение имеет рациональная организация труда. Говорят, что усталость приходит прежде всего от бес-толковой работы. Там, где четко организован труд, человек последовательно наблюдает позитивные результаты своего труда, имеет место повышение и производительности труда, и настроения, что умножает силы и энергию человека, его творческую активность. Творчество человека - это создание чего-то нового в любых сферах человеческой деятельности. Творчество делает мир человека богатым, интересным, радостным, расширяет его горизонты. Решающее значение имеет создание нужных самому индивиду и другим людям ценностей, в том числе и тех, которые обеспечивают здоровье.