по Естествознанию 4

СОДЕРЖАНИЕ.

1. Что представляет собой наука и паранаука………………………………………....2

2. Что понимают под выражением «методология научного познания»……………...3

3. Перечислите известные физиологическиеполя. Назовите их источники и охарактеризуйте значение в материальном мире…………………………………...…4

4. Охарактеризуйте открытые системы. Приведите примеры……………..…………8

5. Охарактеризуйте специфические свойства пространства………………………...10

6. Охарактеризуйте элементарные частицы микромира……………………………..12

7. Поясните что такое звук, инфразвук, ультразвук………………………….………16

8. Что такое эмпирический и теоретический горизонты человечества. Радиус вселенной, доступный сегодня наблюдательной астрономической технике……....18

9.Охаректиризуйте химический состав солнца, его свойства и происхродящие процессы…………………………………………………………………………….…..21

10. Опешите образование протоклеток ( коацерватов ), их свойства и к чему это привело………………………………………………………………………………….24

Литература……………………………………………………………………...……….26

1.
Что представляет собой наука и паранаука?

Наука – это особый вид человеческой познавательной деятельности, направленный на получение, уточнение и производство объективных, системно-организованных и обоснованных знаний о природе, обществе и мышлении. Основой этой деятельности является сбор научных фактов, их постоянное обновление и систематизация, критический анализ и на этой базе синтез новых научных знаний или обобщений, которые не только описывают наблюдаемые природные или общественные явления, но и позволяют построить причинно-следственные связи, и, как следствие – прогнозировать.

Паранаука (от греческого рага – около, возле) – термин, обозначающий многообразие сопутствующих науке идейно-теоретических учений и течений, существующих за ее пределами, но связанных с нею определенной общностью проблематики или методологии. То есть «пара» – означает находящееся рядом, отклоняющееся от нормы или нарушающее что-либо.

Паранаука изучает паранорамальные феномены (парапсихологию, теорию биоритмов, биоэнергетику и т.д.), постулирующие существование особых, неизвестных науке субстанций и природных сил (например, существование приведений, пришельцев, полтергейста).

2.
Что понимается под выражением «методология научного познания».

Методология – это наука о закономерностях, которым подчиняется метод деятельности, о происхождении, сущности методов, их эффективности. Методология призвана выработать принципы создания наиболее совершенных методов в каждой форме деятельности. Также методология – философское учение о методах познания, применение принципов мировоззрения к процессу познания. Понятие методологии тесно связано с понятием научного метода.

Научное познание – это особая форма человеческой деятельности. Как каждая деятельность, познание также опирается на определенный набор средств деятельности, средств познания. Научный метод – это совокупность определенных правил, способов, норм познания и действия. Он и является системой предписаний, принципов, требований, которые ориентируют субъекта на решение конкретной задачи, достижение определенного результата в данной сфере деятельности.

Научный метод рационализирует и оптимизирует научное познание. По словам одного из основоположников методологии естествознания Ф. Бэкона, научный метод подобен фонарю, освещающему дорогу бредущему в темноте путнику. Объясняя значение научного метода, Бэкон любил приводить еще один афоризм: даже хромой, идущий по дороге, опережает того, кто бежит без дороги. Только верный метод может привести к получению истинного знания, подлинной картины познаваемого предмета.

3.
Перечислите известные физические поля. Назовите их источники и охарактеризуйте их значение в материальном мире.

Физическое поле – особый вид материи, обеспечивающий физическое взаимодействие материальных объектов и их систем. К физическим полям относят электромагнитные и гравитационные поля, поле ядерных сил, а также выделяют волновые (квантованные) поля, соответствующие различным элементарным частицам (например, электрон-позитронное поле).

Источниками физических полей являются определенные частицы.

Электромагнитное поле.

Каждая электрически заряженная частица создает электромагнитное поле, действующее на другие заряженные частицы, то есть взаимодействие передается через «посредника» – электромагнитное поле.

Электромагнитное взаимодействие в квантовой теории является результатом обмена частиц фотонами – квантами. Когда заряженные частицы обмениваются между собой фотонами, это приводит к появлению электромагнитного поля.

Электромагнитное взаимодействие проявляется на всех уровнях материи – в мегамире, макромире и микромире.

Электромагнитное поле Земли простирается далеко в космическое пространство, мощное поле Солнца заполняет всю Солнечную систему; существуют и галактические электромагнитные поля. В то же время электромагнитное взаимодействие определяет структуру атомов и молекул (положительно заряженное ядро и отрицательно заряженные электроны). Оно отвечает за подавляющее большинство физических и химических явлений и процессов (за исключением ядерных): силы упругости, трения, поверхностного натяжения, им определяются свойства агрегатных состояний вещества, химических превращений, оптические явления, явления ионизации, многие реакции в мире элементарных частиц и др.

Электромагнитное взаимодействие позволяет видеть окружающие нас предметы и тела, поскольку свет – одна из форм электромагнитного поля.

Гравитационное поле.

Согласно общим теоретико-физическим представлениям гравитационное взаимодействие должно подчиняться квантовым законам так же, как и электромагнитное. Гравитационному взаимодействию должно соответствовать поле с квантом гравитации – гравитоном (нейтральная частица с нулевой массой покоя и спином 2). Квантовая гравитация приводит к появлению представления о дискретности свойств пространства-времени, понятиям элементарной длины, кванта пространства r ≈ 10^-33
см, и элементарного временного интервала, кванта времени t ≈ 10^-43
с.

Гравитация обладает рядом особенностей, резко отличающих ее от других фундаментальных взаимодействий. Наиболее удивительной особенностью гравитации является ее малая интенсивность. Гравитационное взаимодействие в 10³⁹
раз меньше силы взаимодействия электрических зарядов. Поэтому в описании взаимодействий элементарных частиц оно обычно не учитывается. В микромире гравитация ничтожна.

Гравитация является господствующей силой во Вселенной. Все дело во второй удивительной черте гравитации – ее универсальности. Ничто во Вселенной не может избежать гравитации. Каждая частица испытывает на себе действие гравитации и сама является источником гравитации, вызывает гравитационное притяжение. Гравитация возрастает по мере образования все больших скоплений вещества. И хотя притяжение одного атома пренебрежимо мало, но результирующая сила притяжения со стороны всех атомов может быть значительной. Это проявляется и в повседневной жизни: мы ощущаем гравитацию потому, что все атомы Земли сообща притягивают нас.

Кроме того, гравитация – дальнодействующая сила природы. Это означает, что, хотя интенсивность гравитационного взаимодействия убывает с расстоянием, оно распространяется в пространстве и может сказываться на весьма удаленных от источника телах. В астрономическом масштабе гравитационное взаимодействие, как правило, играет главную роль. Благодаря дальнодействию гравитация не позволяет Вселенной развалиться на части: она удерживает планеты на орбитах, звезды в галактиках, галактики в скоплениях, скопления в Метагалактике.

Сила гравитации, действующая между частицами, всегда представляет собой силу притяжения: она стремится сблизить частицы.

Поле ядерных сил.

Квантами ядерного поля являются пионы или π-мезоны. Процесс столкновения в атомном ядре нуклонов (нейтронов и протонов) управляется ядерной силой (пионной обменной силой) действующей между обеими частицами. Очень удобно представить протон как бы состоящий из нейтрона и положительно заряженного пиона, или, что вокруг нейтрона существует пионное поле и в целом это образование выглядит как протон: р
↔n+π⁺
.

При сталкивании протона и нейтрона происходит обмен π-мезоном между двумя частицами, и как результат осуществляется ядерное взаимодействие между частицами. Таким образом, пионы – это частицы, отвечающие за ядерные силы, то есть они являются квантами поля ядерных сил.

Поле ядерных сил является источником огромной энергии. Это поле характеризуется сильным взаимодействием. Наиболее характерный пример энергии, высвобождаемой сильным взаимодействием, – Солнце. Главная функция сильного взаимодействия в природе – создание прочной связи между нуклонами (протонами и нейронами) в ядрах атомов. При этом столкновение ядер или нуклонов, обладающих высокими энергиями, приводит к разнообразным ядерным реакциям, в том числе реакции термоядерного синтеза на Солнце, которая является основным источником энергии на Земле.

Человек также научился вызывать сильное взаимодействие: создана водородная бомба, сконструированы и совершенствуются технологии управляемой термоядерной реакции.

Волновые (квантованные) поля

(электрон-позитронное поле).

Квантованные поля описывают уничтожение (или рождение) частиц и одновременно рождение (уничтожение) античастиц. Таким полем, например, является электрон-позитронное поле.

Электроны и позитроны могут исчезать и появляться лишь парами. Для рождения электрон-позитронной пары необходима достаточно большая энергия, которую может предоставить, имеющий большую энергию, фотон (гамма-квант).

При соударении электрона и его античастицы – позитрона – оба они могут исчезнуть, образовав два гамма-кванта. Гамма-квант может, взаимодействуя с электрическим полем атомного ядра, породить пару электрон-позитрон.

Образование пар электрон-позитрон играет определяющую роль в поглощении веществом гамма-квантов высокой энергии, а также совместно с тормозным излучением, в возникновении так называемых электронно-фотонных ливней в космических лучах. Космические лучи – уникальный природный источник частиц высоких и сверхвысоких энергий, позволяющих изучать процессы превращения элементарных частиц и их структуру.

Кроме того, по рождению электрон-позитронных пар можно получить информацию об образующихся в реакции фотонах большой энергии. Фотон, как и всякую другую незаряженную частицу, нельзя наблюдать непосредственно, так как он не оставляет видимого следа в детекторах частиц, таких, как камера Вильсона, пузырьковая камера, ядерная фотографическая эмульсия и др., и о его энергии, импульсе, а также о самом факте его образования можно узнать только по рожденной им паре.

4.
Охарактеризуйте открытые системы и приведите примеры.

Открытые системы – это такие системы, которые поддерживаются в определенном состоянии за счет непрерывного притока извне и (или) стока вовне вещества, энергии или информации. Причем приток и сток обычно носят объемный характер, то есть происходят в каждой точке данной системы. Так, во всех компонентах биологического организма (ткани, органы, клетки и т.д.) происходит обмен веществ, приток и отток вещества (с помощью кровеносных сосудов, эндокринной и других систем). Постоянный приток (и сток) вещества, энергии или информации является необходимым условием существования неравновесных, неустойчивых состояний в противоположность замкнутым системам, неизбежно стремящимся (в соответствии со вторым началом термодинамики) к однородному равновесному состоянию.

Неравновесность, неустойчивость открытых систем порождается постоянной борьбой двух тенденций. Первая – это порождение и укрепление неоднородностей, структурирования, локализации элементов открытой системы. И вторая – рассеивание неоднородностей, «размывание» их, диффузия, деструктурализация системы. Если побеждает первая тенденция, то открытая система становится самоорганизующейся системой, а если доминирует вторая –открытая система рассеивается, превращаясь в хаос. А когда эти тенденции примерно равны друг другу, тогда в открытых системах ключевую роль – наряду с закономерным и необходимым – случайные отклонения системы от ее закономерного состояния, флуктуационные процессы. Иногда флуктуация может стать настолько сильной, что существовавшая организация разрушается.

Открытые системы – это системы необратимые; в них важен фактор времени.

Открытые неравновесные системы, активно взаимодействующие с внешней средой, могут приобретать особое динамическое состояние – диссипативность, т.е. своеобразное макроскопическое проявление процессов, протекающих на микроуровне. Неравновесное протекание множества микропроцессов приобретает интегративную результирующую на макроуровне, которая качественно отличается от того, что происходит с каждым отдельным ее микроэлементом. Диссипация – это тенденция к размыванию организации, но в нелинейных, неравновесных системах она проявляет себя и через противоположную функцию – структурообразование. Благодаря диссипативности в неравновесных системах могут спонтанно формироваться новые типы структур, совершаться переходы от хаоса и беспорядка к порядку и организации, возникать новые динамические состояния материи.

Диссипативность проявляется в различных формах: в способности «забывать» детали некоторых внешних воздействий, в «естественном отборе» среди множества микропроцессов, разрушающем то, что не отвечает общей тенденции развития; в когерентности (согласованности) микропроцессов, устанавливающей их некий общий темп развития, и др.

Понятие диссипативности тесно связано с понятием хаоса. Синергетика определяет хаос как многоликое материальное начало, которое не только разрушает и само является продуктом разрушения, но и способствует созиданию нового. (В этических оценках: хаос не только зло, но и добро.) Благодаря хаосу материя деструктурируется и насыщается неопределенностью, в то же время она порождает структурные организации, оказывается способной к самоорганизации, потенциально готова к новаторству.

В нелинейных (неравновесных) открытых системах постоянно действует диссипативный, рассеивающий, хаотизирующий фактор. Однако в силу избирательности такой системы, ее различной чувствительности к разным воздействиям (и внешним, и внутренним) диссипативный фактор действует также избирательно: он рассеивает одни образования и усиливает другие, способствуя тем самым их структурированию и локализации.

Примером открытых систем, например, в биологии могут служить живые системы.

Живые системы – открытые системы, постоянно обменивающиеся веществом, энергией и информацией со средой. Обмен веществом, энергией и информацией происходит и между частями (подсистемами) системы. Большая часть организмов прямо или косвенно использует солнечную энергию. Для живых систем характерны увеличение упорядоченности, способность к самоорганизации.

Также можно привести такие примеры открытых систем как: калькулятор или радиоприемник с солнечной батареей, где энергия поступает извне; промышленное предприятие, завод, фирма, компания и т.д.

Очевидно, что для осуществления деятельности хозяйствующих организаций необходимы снабжение, сбыт, работа с потенциальными покупателями и т.д. Именно поэтому их можно отнести к открытым системам.

5.
Охарактеризуйте специфические свойства пространства.

Специфическими свойствами пространства являются:

· Контрольные пространственные формы тел, их положение в пространстве по отношению друг к другу, скорость пространственного перемещения, размеры тел.

· Наличие у них внутренней симметрии или асимметрии. Различные виды симметрии свойственны как микромиру, так и макромиру, являясь фундаментальным свойством неживой природы. Живому веществу присуще свойство пространственной асимметрии, которым обладает молекула живого вещества.

· Изотропность и однородность пространства.

Изотропность
означает отсутствие выделенных направлений (верха, низа и др.), независимость свойств тел, движущихся по инерции, от направления их движения. Полная изотропность присуща вакууму, а в структуре вещественных тел проявляется анизотропия в распределении сил связи. Они расщепляются в одних направлениях лучше, чем в других.

Однородность пространства
означает отсутствие в нем каких-либо выделенных точек.

Пространство вблизи земной поверхности физически неоднородно: все тела стремятся занять самые низкие положения, поближе к Земле. Столь же неоднородно пространство вблизи Солнца. Но вся Солнечная система как целое движется прямолинейно, по крайней мере, в течение миллионов лет отклонений от прямолинейного движения не было. Пространство, в котором она движется, свободно от тяготеющих к нему тел и здесь можно говорить о его однородности. Из второго закона Ньютона следует прямолинейность и равномерность движения центра инерции системы тел в однородном пространстве. Никакие внутренние силы не нарушают однородности пространства по отношению к системе как к целому.

Полная однородность свойственна лишь абстрактному евклидному пространству и является идеализацией. Реальное пространство материальных систем неоднородно, различается метрикой и значениями в зависимости от распределения тяготеющих масс.

6.
Охарактеризуйте элементарные частицы микромира.

К микромиру относятся: частицы элементарные и ядра атомов – область порядка 10^{-15 см, атомы и молекулы 10-8}
– 10^{-7 см.}

Свойства элементарных частиц многообразны. Так, каждой частице соответствует своя античастица, отличающаяся от нее лишь знаком заряда. Для частиц с нулевыми значениями всех зарядов античастица совпадает с частицей (например, фотон). Каждая элементарная частица характеризуется собственным набором значений определенных физических величин. К таким величинам относятся: масса, электрический заряд, спин, время жизни частицы, магнитный момент, пространственная четность, лептонный заряд, барионный заряд и др.

Общие характеристики всех частиц: масса, время жизни, спин. Когда говорят о массе частицы, имеют в виду ее массу покоя, поскольку она не зависит от состояния движения. Частица, имеющая нулевую массу покоя, движется со скоростью света (фотон). Нет двух частиц с одинаковыми массами. Электрон — самая легкая частица с ненулевой массой покоя. Протон и нейтрон тяжелее электрона почти в 2000 раз.

Важная характеристика частицы – спин – собственный момент импульса частицы. В зависимости от спина все частицы делятся на две группы: бозоны – частицы с целыми спинами 0, 1 и 2; фермионы – частицы с полуцелыми спинами (1/2, 3/2).

Так, протон, нейтрон и электрон имеют спин 1/2, а спин фотона равен 1. Известны частицы со спином 0,3/2,2. Частица со спином 0 при любом угле поворота выглядит одинаково. Частица со спином 1 принимает тот же вид после полного оборота на 360°. Частица со спином 1/2 приобретает прежний вид после оборота на 720° и т.д. Частица со спином 2 (гипотетический гравитон) принимает прежнее положение через пол-оборота (180°).

Частицы характеризуются и временем жизни. По этому признаку частицы делятся на стабильные и нестабильные. Стабильные частицы – это электрон, протон, фотон и нейтрино, (до конца пока не решен вопрос о стабильности протона. Возможно, он распадается за t = 10³¹
лет). Нейтрон стабилен, когда находится в ядре атома, но свободный нейтрон распадается примерно за 15 мин. Все остальные известные частицы нестабильны; время их жизни колеблется от нескольких микросекунд до 10^-24
с. Самые нестабильные частицы резонансы. Время их жизни 10^-22
–10^-24
с.

Прежде всего, свойства частицы определяются ее способностью (или неспособностью) участвовать в сильном взаимодействии. Частицы, участвующие в сильном взаимодействии, образуют особый класс и называются адронами. Частицы, участвующие преимущественно в слабом взаимодействии и не участвующие в сильном, называются лептонами. Отдельную группу элементарных частиц составляет фотон.

Лептоны.

Лептоны ведут себя как точечные объекты, не обнаруживая внутренней структуры даже при сверхвысоких энергиях. Они, по-видимому, являются элементарными (в собственном смысле этого слова) объектами, т.е. они не состоят из каких-то других частиц. Хотя лептоны могут иметь электрический заряд, а могут и не иметь, спин у всех у них равен 1/2.

К лептонам относятся: электрон, мюон, тау-частица и нейтрино.

Среди лептонов наиболее известен электрон. Электрон – это первая из открытых элементарных частиц. Электрон – носитель наименьшей массы и наименьшего электрического заряда (не считая кварков) в природе. Масса электрона равна 1, заряд – (-1).

Другой хорошо известный лептон – нейтрино. Нейтрино наряду с фотонами являются наиболее распространенными частицами во Вселенной. Нейтрино почти неуловимы, обладают огромной проникающей способностью, особенно при низких энергиях. Не участвуя ни в сильном, ни в электромагнитном взаимодействиях, они проникают через вещество, как будто его вообще нет. Нейтрино – это некие «призраки» физического мира. С одной стороны, это усложняет их детектирование, а с другой – создает возможность изучения внутреннего строения звезд, ядер галактик, квазаров и др.

Одна из интересных страниц истории изучения нейтрино связана с вопросом о его массе: имеет или не имеет нейтрино массу покоя. Теория допускает, что в отличие от фотона нейтрино может иметь небольшую массу покоя. Если нейтрино действительно обладает массой покоя (по оценкам, от 0,1 эВ до 10 эВ), то это влечет за собой фундаментальные следствия в теории Великого объединения, космологии, астрофизике. Длящаяся уже почти 60 лет «погоня» физиков за массой неуловимой частицы, похоже, подходит к концу.

Достаточно широко распространены в природе мюоны, на долю которых приходится значительная часть космического излучения. Мюон – одна из первых известных нестабильных субатомных частиц с массой 206,7 и зарядом -1. Во всех отношениях мюон напоминает электрон: имеет тот же заряд и спин, участвует в тех же взаимодействиях, но имеет большую массу и нестабилен. Примерно за две миллионные доли секунды мюон распадается на электрон и два нейтрино. Проникая в вещество, мюоны взаимодействуют с ядрами и электронами атомов и образуют необычные соединения. Положительный мюон, присоединяя к себе электрон, образует систему, аналогичную атому водорода – мюоний, химические свойства которого во многом подобны свойствам водорода. А отрицательный мюон может замещать на электронной оболочке один из электронов, образуя так называемый мезоатом. В мезоатоме мюоны расположены в сотни раз ближе к ядру, чем электроны. Это позволяет использовать мезоатом для изучения формы и размеров ядра.

Известен заряженный лептон, получивший название тау-лептон. Это очень тяжелая частица. Ее масса около 3500 масс электрона, но во всем остальном он ведет себя подобно электрону и мюону. Заряд тау-лептона равен 0.

Кроме того, существует несколько типов нейтрино: электронное нейтрино, мюонное нейтрино и тay-нейтрино. Таким образом, общее число разновидностей нейтрино равно трем, а общее число лептонов – шести. Разумеется, у каждого лептона есть своя античастица; таким образом, общее число различных лептонов равно 12. Нейтральные лептоны участвуют только в слабом взаимодействии; заряженные – в слабом и электромагнитном.

Адроны.

Если лептонов всего 12, то адронов насчитываются сотни. Подавляющее большинство из них – резонансы, т.е. крайне нестабильные частицы. Тот факт, что адронов существует сотни, наводит на мысль, что адроны сами построены из более мелких частиц. Все адроны встречаются в двух разновидностях – электрически заряженные и нейтральные. Они участвуют во всех фундаментальных взаимодействиях, включая сильное.

Наиболее известны и широко распространены такие адроны, как нейтрон и протон. Остальные адроны быстро распадаются. Адроны подразделяются на два класса. Это – класс барионов (тяжелые частицы) (протон, нейтрон, гипероны и барионные резонансы) и большое семейство более легких мезонов (π-мезон, К- мезон, η- мезон).

Адроны имеют сложную внутреннюю структуру,они построены из более мелких частиц – кварков. Так барионы (протон, нейтрон) состоят и 3 кварков, мезоны – из кварка и антикварка.

Протон и нейтрон – относятся к бозонам, тяжелее электрона почти в 2000 раз. Они являются наиболее стабильными барионами. Протон абсолютно стабилен, нейтрон – испытывает бета-распад с временем жизни, близким к 1000 с.

Все мезоны распадаются на электроны и нейтрино; периоды полураспада для этих процессов лежат в интервале от 10^-8
до 10^-23
с. Все мезоны с массой меньше 0,6 массы протона имеют большие периоды полураспада (>10^-8
с) и поэтому являются «стабильными» с точки зрения элементарных процессов.

Самым важным из наиболее изученным членом семейства мезонов является π-мезон или пион. Он является квантом поля ядерных сил, то есть участвует в сильном взаимодействии. Существуют два вида заряженных пионов π⁺
и π^-
(которые являются частицей и античастицей) и нейтральный пион π⁰
. Масса π^±
составляет 270 m_е

, π⁰
– 260 m_е

, среди адронов они самые легкие. Пионы примерно в 7 раз легче протонов и в 270 раз тяжелее электронов. Они являются бозонами.

Фотон
.
Заряд фотона равен 0. Эта частица, имеет нулевую массу покоя, является бозоном и движется со скоростью света. Фотон выступает переносчиком электромагнитного взаимодействия, а также гравитационного. Так как не существует системы отсчета, в которой фотон покоится, ему нельзя приписать внутренней четности (квантовомеханической характеристики состояния физической микрочастицы, отображающей свойства симметрии этой микрочастицы относительно зеркальных отражений). Фотон – это абсолютно (истинно) нейтральная частица. Фотоны могут испускаться и поглощаться, то есть возникать и исчезать.Установлена возможность взаимопревращения пар электронов и позитронов в фотоны. В электростатическом поле атомного ядра фотон с энергией выше 1 Мэв может превратиться в электрон и позитрон и наоборот, столкновение электрона и позитрона приводит к превращению двух (или трех) фотонов высокой энергии.

7. Поясните, что такое звук, инфразвук, ультразвук.

Звук в широком смысле – упругие волны, продольно распространяющиеся в среде и создающие в ней механические колебания.

В узком смысле – субъективное восприятие этих колебаний специальными органами чувств животных или человека.

Важной характеристикой звука является его спектр, получаемый в результате разложения звука на простые гармонические колебания. Спектр бывает сплошной, когда энергия звуковых колебаний непрерывно распределена в более или менее широкой области частот, и линейчатый, когда имеется совокупность дискретных (прерывных) частотных составляющих. Звук со сплошным спектром воспринимается как шум. Например, шелест деревьев под ветром. Линейчатым спектром с кратными частотами обладают музыкальные звуки. Основная частота определяет при этом воспринимаемую на слух высоту звука, а набор гармонических составляющих – тембр звука. Энергетической характеристикой звуковых колебаний является интенсивность звука – энергия, переносимая звуковой волной через единицу поверхности, перпендикулярную направлению распространения волны, в единицу времени. Интенсивность звука зависит от амплитуды звукового давления, а также от свойств самой среды и от формы волны.

Субъективной характеристикой звука является его громкость, зависящая от частоты.

Наибольшей чувствительностью человеческое ухо обладает в области частот 1-5 кГц, в этой области порог слышимости, то есть интенсивность самых слабых слышимых звуков, по порядку величины равно 10^-12
вм/м²
, а соответствующее звуковое давление – 10^-5
н/м²
. Верхняя по интенсивности граница области воспринимаемых человеческим ухом звук характеризуется порогом болевого ощущения, слабо зависящим от частоты в слышимом диапазоне и равным примерно 1 вм/м²
.

Рассмотрим, что такое инфразвук и ультразвук.

Считается, что человек слышит звуки в диапазоне частот от 16 Гц до 20 кГц.

Звук ниже диапазона слышимости человека называют инфразвуком, выше до 1ГГц – ультразвуком.

Инфразвук

– упругие волны низкой частоты. Обычно за верхнюю границу инфразвуковой области принимают частоты 16-25 Гц. Нижняя граница инфразвукового диапазона неопределенна. Например, перед штормом усиливающийся ветер срывает гребни волн и захлестывает их. Каждое такое захлопывание воды на гребне волны порождает акустический удар, создаются инфразвуковые колебания. Также источником инфразвуковых колебаний являются гром, взрывы, орудийные выстрелы.

Инфразвук может распространяться на очень далекие расстояния в воздухе, воде и в земной коре. Так, например, распространение инфразвука на большие расстояния в море дает возможность предсказания цунами.

Ультразвук

– упругие колебания и волны с частотами от 16-20 кГц до 1ГГц. Область частот ультразвука можно подразделить на три подобласти: ультразвук низких частот (1,6 ·10⁴
-10⁵
Гц), ультразвук средних частот (10⁵
-10⁷
Гц) и область высоких частот (10⁷
-10⁹
Гц).

Целый ряд животных способен воспринимать и излучать частоты упругих волн значительно выше 20 кГц.

Так, птицы болезненно реагируют на ультразвуковые частоты более 25 кГц, что используют, например, для отпугивания чаек от водоемов с питьевой водой.

Летучие мыши, имея совсем слабое зрение, или вовсе не имея его, ориентируются в полете и ловят добычу методом ультразвуковой локации. Они излучают своим голосовым аппаратом ультразвуковые импульсы с частотой повторения несколько Гц и несущей частотой 50-60 кГц.

Дельфины излучают и воспринимают ультразвук до частот 170 кГц.

8.
Что такое эмпирические и теоретические горизонты человечества. Радиус Вселенной. Доступный наблюдательной астрономической технике.

К эмпирическому уровню познания относятся приемы, методы и формы познания, связанные с непосредственным отражением объекта, материально-чувственным взаимодействием с ним человека. На этом уровне происходят накопление, фиксация, группировка и обобщение исходного материала для построения опосредованного теоретического знания.

К эмпирическому уровню относят такие методы, как наблюдение, различные формы экспериментирования, предметное моделирование, описание полученных результатов, измерение и др.

Теоретический уровень познания характеризуется преобладанием понятий, теорий, законов. На основе теоретического объяснения осуществляется научное предвидение будущего.

Различие эмпирических и теоретических уровней познания касается форм знаний и способов их получения. Эмпирический уровень – это факты. Теоретический – логическая взаимосвязь высказываний, на основе которой можно объяснить и предсказать факты.

При всем своем различии эти два уровня взаимосвязаны, граница между ними условна. Эмпирическое исследование, выявляя с помощью наблюдений и экспериментов новые данные, стимулирует теоретическое познание, ставит перед ним новые, более сложные задачи. С другой стороны теоретическое познание, развивая и конкретизируя на базе эмпирии новое собственное содержание, открывает новые, более широкие горизонты для эмпирического познания, ориентирует и направляет его в поисках новых фактов, способствует совершенствованию его методов.

В космологии теория играет особую роль и одновременно является предметом жестких споров.

Когда исследуется природа звезд, мы судим о температуре на поверхности светила, его размерах, других характеристик не путем прямого наблюдения в силу не наблюдаемости данных свойств, а путем теоретических исследований, путем других уже имеющихся данных, чаще всего в виде различных концепций, с помощью которых и рассчитывают данные параметры.

В космологии эмпирически нельзя проверить те результаты, которые были получены в ходе теоретического поиска, так как возможность их опытной проверки представится через сотни миллиардов лет.

Хотя гипотетически нереально охватить всю Вселенную не только эмпирически, но даже и теоретически, поскольку мы не знаем ее истинных размеров.

Радиус Вселенной. Доступный наблюдательной астрономической технике.

Поскольку любой сигнал, несущий информацию, не может передаваться со скорость большей скорости света (300000 км/с), конечный возраст Вселенной (14-16 млрд.св. лет) позволяет говорить и о размере Вселенной как о размере области, из которой информация может дойти до наблюдателя за время, прошедшее с момента начала расширения.

Никакое совершенствование техники не позволит заглянуть дальше. Мы не можем увидеть более далекие галактики: какими бы телескопами мы не пользовались, свет от галактик за горизонтом просто не успел дойти до нас. Это предельное расстояние, до которого в принципе могут «дотянуться наблюдатели». В честь Эдвина Хаббла его назвали хаббловским радиусом. В настоящее время он равен 6000 Мпк. Понятие радиуса Вселенной достаточно условно: реальная вселенная безгранична и она нигде не кончается. Горизонт любого наблюдателя раздвигается со скоростью света.

Горизонт видимости во Вселенной – сфера с радиусом, равным расстоянию, которое свет прошел за время существования Вселенной. Это граница, отделяющая область пространства, которую в данный момент может видеть наблюдатель, от области, которая для него пока принципиально ненаблюдаемая, которая получила название космологического горизонта (горизонта частиц).

Существование космологического горизонта связано с расширением Вселенной. От момента сингулярного состояния Вселенной прошло t ≈ 10-20 миллиардов лет. За это время свет успевает пройти в расширяющейся Вселенной конечное расстояние t ≈ ct (где c – это скорость света), т.е. примерно 10–20 миллиардов световых лет. Поэтому каждый наблюдатель в момент t' после начала расширения может видеть только область, ограниченную сферой, имеющей в этот момент радиус r = ct'. За этой границей, являющейся горизонтом наблюдений, объекты принципиально ненаблюдаемы в момент t': свет от них еще не успел дойти до наблюдателя, даже если он вышел в момент начала расширения Вселенной. Вблизи горизонта мы видим вещество в далеком прошлом, когда плотность его была гораздо больше сегодняшней.

С течением времени горизонта расширяется по мере того, как к наблюдателю доходит свет от более далеких областей Вселенной. Таким образом, он охватывает больше половины доступного в принципе для наблюдений объема пространства Вселенной. С каждым днем доступная земным телескопам область Вселенной возрастает на 10¹⁸
кубических световых лет.

Представление о космологическом горизонте позволяет понять, что в каждый данный момент для наблюдателя доступна некоторая конечная часть объема Вселенной, с конечным числом галактик и звезд. Очевидно также, что у каждого наблюдателя, находящегося в каком-либо месте во Вселенной, в каждый данный момент времени свой горизонт, своя конечная Вселенная. Это подобно тому, как и на земном шаре, каждый наблюдатель имеет свой горизонт.

Строго говоря, космологический горизонт ограничен еще одним фактором, связанным со свойствами электромагнитного поля. Источники на горизонте частиц имеют безгранично красное смещение. Это самые древние фотоны, которые хотя бы теоретически можно сейчас «увидеть». Они были изучены в момент Большого взрыва. Тогда размер видимой сегодня части Вселенной был крайне мал, а значит, с тех пор все расстояния очень сильно выросли. Отсюда и возникает бесконечно красное смещение.

На ранних стадиях развития Вселенной при большой плотности вещества фотоны не могли свободно распространяться из-за поглощения и рассеяния. До Земли в неискаженном виде дошло только, то излучение, которое возникло в эпоху, когда Вселенная стала практически прозрачной для излучения, и не раньше. Эта эпоха связана с процессом рекомбинации водорода, который протекал через 1 млн лет после начала расширения Вселенной и соответствовал плотности вещества ρ = 10^-20
г/см³
. Но 1 млн лет — весьма незначительный период по сравнению с 15—20 млрд лет. Поэтому горизонт видимости во Вселенной практически определяется началом ее расширения.

9. Охарактеризуйте химический состав Солнца, его свойства и происходящие процессы.

Солнце состоит главным образом из водорода (75 %) и гелия (25 %) по массе. Это соотношение меняется от поверхности к ядру. В верхних слоях водорода содержится 90 %, а гелия – 10 %. Соотношение между водородом и гелием с течением времени изменяется в пользу гелия, поскольку уже в течение 4,5 млрд. лет на Солнце протекают термоядерные реакции, превращающее ядро водорода в ядро гелия. Все остальные химические элементы содержат только 1 % общей массы (О₂
, С, Ne, N₂
, Fe, Mg, Si, Ni, Na, Ca).

Глубоко под наружным покровом светила температура равная 13 миллионов градусов. При таких условиях солнечное вещество не может быть похожим на обычный газ. Бешено мчащиеся и сталкивающиеся атомы вдребезги разбиваются. Получается плотное скопление осколков атомов – атомных ядер и электронов. Эту смесь называют плазмой. В глубинах Солнца ядра атомов водорода – протоны – нередко налетают друг на друга. Иногда они сталкиваются с сильного разгона. Но, несмотря на огромную температуру и, следовательно, высокие скорости теплового движения, лишь в редчайших случаях (раз в несколько миллиардов лет) столкнувшиеся протоны получают способность пробить броню взаимного электрического отталкивания.

По законам квантовой механики, атомные ядра приобретают способность как бы «проскальзывать» через электрическую броню, преодолевать ее, даже не имея для этого достаточного, согласно представлениям классической физики, запаса энергии.

Рассмотрим реакции, протекающие в недрах Солнца. Под влиянием высокой температуры в ядре Солнца водород превращается в гелий с выделением большого количества тепла; это удерживает Солнце от сжатия под воздействием собственной силы тяжести. Основным источником энергии в недрах Солнца является цепочка протон протонных термоядерных реакций. Примерно в 70 % случаев водородная цепочка состоит из трех основных реакций. Первая из них начинается с бета-распада ядра атома водорода (протона ¹
Н), который в свободном состоянии необычайно устойчив. Распад может произойти в краткий миг в результате столкновения двух протонов. Тогда возможно превращение одного из них в нейтрон с испусканием позитрона е⁺

и электронного нейтрино ν_е

. Объединяясь с другим протоном, этот нейтрон образует ядро изотопа водорода – дейтерия (тяжелого водорода) с атомным весом 2 (²
Н).

¹
Н+¹
Н → ²
Н+e⁺
+ ν_е

В среднем раз в 14 миллиардов лет одни из протонов такой пары преобразуется в нейтрон.

Нейтрино уносят значительную часть энергии Солнца. На их долю приходится около 5 % энергии солнечного излучения. Движущиеся со скоростью света, они слабо взаимодействуют с веществом и практически беспрепятственно проходят через все Солнце, покидая его.

Во второй реакции дейтроны ²
Н, возникшие в результате первой реакции, за считанные секунды захватывают новые протоны, образуя ядра изотопа ³
Не с испусканием фотона

²
Н+¹
H → ³
He+γ

Благодаря третьей реакции, в течение времени, порядка миллиона лет, ядра изотопа ³
Не могут слиться и, высвободив два протона, образовать ядро обычного гелия ⁴
Не.

³
Не+³
Не → ⁴
Не+ 2¹
Н

Кроме того, в недрах Солнца идут и другие реакции – так называемого углеродного цикла. Такие реакции обеспечивают не более 1-2 % светимости Солнца. Они происходят только в самом центре светила, где температура и плотность достигают наибольших значений. По мере удаления от центра Солнца температура и плотность становятся меньше, выделение энергии за счет углеродного цикла быстро прекращается и вплоть расстояния 0,2-0,3 радиуса от центра существенной остается только протон-протонная цепочка реакций. В составе солнечного вещества присутствует ничтожное количество атомных ядер углерода с атомным весом 12. Они могут служить своего рода посредниками преобразования протонов в ядра гелия. В среднем раз в 13 миллионов лет быстрый протон проникает в ядро углерода-12 (¹²
С) и образует ядро азота-13 (¹³
N): ¹²
С+¹
H→¹³
N+ γ

¹³
N через 14 мин. претерпевает радиоактивный распад, излучая позитрон и нейтрино и превращаясь в ядро углерода-13 (¹³
С) захватывает второй протон, что приводит к возникновению устойчивого ядра азота -14 (¹⁴
N):

¹³
N→¹³
С+ е⁺

+ ν_е

, ¹³
С+¹
H→¹⁴
N+ γ

Это ядро в среднем через 32 миллиона лет способно захватить третий протон и преобразоваться в ядро кислорода-15 (¹⁵
О): ¹⁴
N+¹
H→¹⁵
О+ γ

, которое очень быстро (в среднем через 3 мин.) выбрасывает позитрон и нейтрино, чтобы превратиться в ядро азота-15 (¹⁵
N) захватывает четвертый протон, выбрасывает ядро гелия и превращается в ядро углерода-12 (¹²
С), с которого и началась вся цепочка реакций:

¹⁵
О→¹⁵
N + е⁺

+ ν_е

, ¹⁵
N+¹
H→¹²
С+⁴
Не

Можно убедиться, что углеродные ядра в данной последовательности реакций не расходуются. Зато в результате цикла четыре протона превращаются в ядро гелия.

10.
Опишите образование протоклеток (коацерватов).

Коацерваты имеют важное значение в ряде гипотез о происхождении жизни на Земле. Они в таких гипотезах представляют некие праорганизмы (протоорганизмы).

А.И.Опарин, исходя из теоретических соображений, высказал мысль, что органические вещества, возможно углеводороды, создавались в океане из более простых соединений. Энергию для этих процессов поставляла интенсивная солнечная радиация, главным образом ультрафиолетовое излучение, падавшее на Землю до того, как образовался слой озона, который стал задерживать большую ее часть. По мнению Опарина, разнообразие находившихся в океанах простых соединений, площадь поверхности Земли, доступность энергии и масштабы времени позволили предположить, что в океанах постепенно накопились органические вещества и образовался «первичный бульон». Решающая роль принадлежит белкам, благодаря их амфотерности они способны к образованию коллоидных гидрофильных комплексов – притягивают к себе молекулы воды, создающие вокруг них оболочку. Эти комплексы могут обособляться от водной фазы, в которой они суспендированы, и образовывать своего рода эмульсию. Слияние таких комплексов друг с другом приводит к отделению коллоидов от среды – процесс, называемый коацервацией.

Таким образом, коацервация – расслоение коллоидной системы с образованием коллоидных скоплений (коацерватов) в виде двух жидких слоев или капель. Сущность явления коацервации заключается в отмешивании из однородного коллоидного раствора слоя или капель, связанном с переходом от полного смешивания к ограниченной растворимости.

Коацерваты образуются в слабых растворах. Вследствие взаимодействия противоположных электрических зарядов происходит агрегация молекул. Мелкие сферические частицы возникают потому, что молекулы воды создают вокруг образовавшегося агрегата поверхность раздела.

Каждая молекула имеет определенно структурную организацию (атомы, входящие в ее состав, закономерно расположены в пространстве). Вследствие этого в молекуле образуются полюсы с различными зарядами. Например, молекула воды H₂
O образует диполь, в котором одна часть молекулы, где находится водород, несет положительный заряд, а другая, где находится кислород – отрицательный. Кроме этого, некоторые молекулы (например, соли) в водной среде диссоциируют (распадаются) на ионы. В силу таких особенностей химической организации вокруг молекул образуются водные «рубашки», из определенным образом, ориентированных молекул воды. Молекулы, окруженные водной «рубашкой», могут объединяться, образуя многомолекулярные комплексы – коацерваты.

Коацерват – капли или слои с большей концентрацией коллоида (растворенного вещества), чем в остальной части раствора того же химического состава.

Богатые коллоидами коацерваты способны обмениваться с окружающей средой веществами и избирательно накапливать различные соединения, особенно кристаллоиды. Коллоидный состав такого коацервата зависит от состава среды.

В самих коацерватах, входящие в их состав вещества вступают в дальнейшие химические реакции. При этом происходило поглощение коацерватами ионов металлов и образование ферментов. На границе между коацерватами и средой выстраиваются молекулы липидов, что приводит к образованию примитивной клеточной мембраны, обеспечивающая коацерватам стабильность.

Накапливая вещества, коацерваты увеличивают свой объем. По достижению определенных размеров они распадаются на части, сохраняя при этом некоторые черты исходной химической организации. Поскольку устойчивость коацерватов различного химического состава различна, то среди них происходит отбор. Перечисленные выше свойства ученые усматривают у пробионтов. Они представляются как обособленные от окружающей среды, открытые макромолекулярные системы, возникавшие в первичном бульоне и способные к примитивным формам роста, размножения, обмена вещества и предбиологическому химическому отбору.

Список литературы

1. Найдыш В.М. Концепции современного естествознания: Учебник. – Изд. 2-е, перераб. и доп. – М.: Альфа-М; ИНФРА-М, 2004.

2. Горбачев В.В. Концепции современного естествознания: Учебник. – Изд. 2-е– М.: 2003.

3. В.П. Бондарев Концепции современного естествознания.– М.: 2005.

4. Т.Г.Грушевицкая Концепции современного естествознания. – М.: 1999.

5. Алексеев П.В., Панин А.В. Философия: Учебник. – Изд. 2-е, перераб. и доп. – М.: Издательство «Проспект», 2003.