1.
Естествознание – предмет и характеристика. Особенности курса КСЕ
концепции современного естествознания
Концепции
– суть, основные представления
современное
– всё, что накопило человечество в области естественных наук за время своего существования;
естествознание
– 1) это наука о природе как единой целостности;
2) это совокупность наук о природе, взятой как единое целое.
Задачи курса КСЕ:
1 – Выявить скрытые связи, которые создают органическое единство физических, химических и биологических явлений.
2 – Глубже и точнее понять сами эти явления, в известной степени, по-новому освоить физику, химию и биологию.
Цель курса КСЕ:
Формирование у студентов научного мировоззрения, повышение общего кругозора и культуры мышления.
Предмет естествознания:
- различные формы движения материи в природе;
- лестница последовательных уровней организации материи и их взаимосвязи;
- основные формы всякого бытия – пространство и время;
- закономерная связь явлений природы, как общего, так и специфического характера.
Цели естествознания:
- находить сущность явлений природы, их законы и на этой основе предвидеть или создавать новые явления;
- раскрывать возможности использования на практике познанных законов природы.
Можно сказать, что у естествознания есть ближайшая
, или непосредственная, цель
– это познание законов природы, а значит, и истины, и конечная цель
– содействовать практическому использованию этих законов. Таким образом, цели естествознания совпадают с целями самой человеческой деятельности.
2. Наука – определение. Специфические черты
Наука
– сфера человеческой деятельности, функция которой состоит в выработке и систематизации объективных знаний о действительности.
Специфические черты науки:
1. Наука УНИВЕРСАЛЬНА
— в том смысле, что она сообщает знания, истинные для всего универсума при тех условиях, при которых они добыты человеком.
2. Наука ФРАГМЕНТАРНА
— в том смысле, что изучает не бытие в целом, а различные фрагменты реальности или ее параметры, а сама делится на отдельные дисциплины.
3. Наука ОБЩЕЗНАЧИМА
— в том смысле, что получаемые ею знания пригодны для всех людей, и ее язык — однозначный, поскольку наука стремится как можно более четко фиксировать свои термины, что способствует объединению людей, живущих в самых разных уголках планеты.
4. Наука ОБЕЗЛИЧЕННА
— в том смысле, что ни индивидуальные особенности ученого, ни его национальность или место проживания никак не представлены в конечных результатах научного
познания.
5. Наука СИСТЕМАТИЧНА
— в том смысле, что она имеет определенную структуру, а не является бессвязным набором частей.
6. Наука НЕЗАВЕРШЁННА
— в том смысле, что хотя научное знание безгранично растет, оно все-таки не может достичь абсолютной истины, после которой уже нечего будет исследовать.
7. Наука ПРЕЕМСТВЕННА
— в том смысле, что новые знания
определенным образом и по определенным правилам соотносятся со старыми знаниями.
8. Наука КРИТИЧНА
— в том смысле, что всегда готова поставить под сомнение и пересмотреть свои даже самые основополагающие результаты.
9. Наука ДОСТОВЕРНА
— в том смысле, что ее выводы требуют, допускают и проходят проверку по определенным, сформулированным в ней правилам.
10. Наука
ВНЕМОРАЛЬНА
— в том смысле, что научные истины нейтральны в морально-этическом плане, а нравственные оценки могут относиться либо к деятельности по получению знания (этика ученого требует от него интеллектуальной честности и мужества в процессе поиска истины), либо к деятельности по его применению.
11. Наука
РАЦИОНАЛЬНА
— в том смысле, что получает знания на основе рациональных процедур и законов логики и доходит до формулирования теорий и их положений, выходящих за рамки эмпирического уровня.
12. Наука
ЧУВСТВЕННА
— в том смысле, что ее результаты требуют эмпирической проверки с использованием восприятия, и только после этого признаются достоверными.
Эти свойства науки образуют шесть диалектических пар, соотносящихся друг с другом: универсальность — фрагментарность, общезначимость — обезличенность, систематичность — незавершенность, преемственность — критичность, достоверность — внеморальность, рациональность — чувственность.
3. Культура – определение и специфика. Виды культуры
Культура
– это совокупность созданных человеком материальных и духовных ценностей, а также сама человеческая способность эти ценности создавать и использовать.
Любой предмет культуры можно разложить как минимум на 2 составляющие:
1) природная основа;
2) социальное оформление.
Эта двойственность мира культуры является основой существования двух её типов: естественно-научного и гуманитарного.
Критерии различения гуманитарного и естественно-научного знания
| Критерии различения | Естественные науки | Гуманитарные науки |
| Объект исследования | природа | общество |
| Ведущая функция | объяснение (истина доказывается) | понимание (истина истолковывается) |
| Характер методологии | генерализирующий (обобщающий) | индивидуализирующий |
| Антропоцентризм | изгоняется | неизбежен |
| Идеологическая нагрузка | Идеологический нейтралитет | Идеологическая нагруженность |
| Количественно- качественные характеристики | преобладание количественных оценок (математика) | преобладание качественных оценок |
| Применение экспериментальных методов | составляют основу методологии | затруднено |
| Характер объекта исследования | 1) материальный; 2) относительно устойчивый | 1) больше идеальный, чем материальный; 2) относительно изменчивый |
Взаимосвязь естественнонаучной и гуманитарной культур заключается в следующем:
- они имеют единую основу, выраженную в потребностях и интересах человека и человечества, в создании оптимальных условий для самосохранения и самосовершенствования;
- осуществляют взаимообмен достигнутыми результатами;
- взаимно координируют в процессе развития человечества;
- являются самостоятельными ветвями единой системы знаний науки и духовной культуры в целом.
Мы являемся свидетелями того, как социологи, юристы, экономисты, менеджеры и другие специалисты — гуманитарии начинают применять в своей работе системный подход, идеи и методы кибернетики и теории информации, знание фундаментальных законов естествознания и в частности физики. Поясним вышесказанное примерами из практики. Юрист разбирает дело о столкновении судов. Конечно, ему нужно знать законы, приняты в мировой практике судовождения. Но, с другой стороны, если он не знает, что такое масса, радиус поворота, скорость, ускорение и т. д., он не сможет реально применить свои профессиональные знания.
Английский историк и писатель Ч. Сноу написал книгу о «двух культурах», которые существуют в современном индустриальном и постиндустриальном обществе, — естественно-научной и гуманитарно-художественной. Он сокрушается по поводу огромной пропасти, которая наблюдается между ними и с каждым годом все возрастает. Ученые, посвятившие себя изучению гуманитарных и точных отраслей знания, все более и более не понимают друг друга. По мнению Сноу, это очень опасная тенденция, которая грозит гибелью всей человеческой культуре. Несмотря на излишнюю категоричность и спорность некоторых суждений Сноу, в целом нельзя не согласиться с наличием проблемы и оценкой ее важности. Действительно, существуют немалые различия между естественно-научным и гуманитарным познанием. Естествознание ориентировано на повторяющееся, общее и универсальное, абстрактное; гуманитарное познание — на специальное, конкретное и уникальное, неповторимое. Цель естествознания — описать и объяснить свой объект, ограничить свою зависимость от общественно-исторических факторов и выразить знание с позиций вневременных принципов бытия, выразить не только качественные, но и количественные характеристики объекта. Цель гуманитарных наук — прежде всего, понять свой объект, найти способы конкретно-исторического, личностного переживания, толкования и содержания объекта познания и своего отношения к нему и т.д.
4. Характеристика знаний в древнем мире (Вавилон, Египет, Китай)
От ранних цивилизаций, возникших на берегах Тигра, Евфрата и Нила (Вавилон, Ассирия, Египет), не осталось никаких свидетельств о достижениях в области физических знаний, за исключением знания овеществленного в архитектурных сооружениях и бытовых изделиях. Возводя различного рода сооружения, изготавливая предметы быта и оружие, люди использовали определенные результаты многочисленных физических наблюдений, технических опытов, их обобщений. Можно сказать, что существовали определенные эмпирические физические знания, но не было системы физических знаний.
Физические представления в Древнем Китае появились на основе различных форм технической деятельности, в процессе которых вырабатывались разнообразные технологические рецепты. Естественно, что, прежде всего, развивались механические знания. Так, китайцы имели представления о силе (то, что заставляет двигаться), противодействии (то, что останавливает движение), рычаге, блоке, сравнении весов (сопоставлении с эталоном). В области оптики китайцы имели представление об образовании обратного изображения в «camera obscura». Уже в VI веке до н. э. они знали явления магнетизма - притяжения железа магнитом, на основе чего был создан компас. В области акустики им были известны законы гармонии, явления резонанса. Но это были еще эмпирические представления, не имевшие теоретического объяснения.
В Древней Индии основу натурфилософских представлений составляло учение о пяти элементах - земле, воде, огне, воздухе и эфире. Существовала также догадка об атомном строении вещества. Были разработаны своеобразные представления о таких свойствах материи, как тяжесть, текучесть, вязкость, упругость, о движении и вызывающих его причинах. К VI в. до н. э. физические представления обнаруживают тенденцию перехода в своеобразные теоретические построения (в оптике, акустике). Главным фактором эволюции науки, как системы знаний, которые необходимо было сохранять, накапливать и передавать, явилось изобретение письменности. Пиктографическое (рисуночное) письмо шумеров появилось около 3200 лет до нашей эры. Около 3000 лет до нашей эры в Египте возникла система письменности, которую называют иероглифической. В ней для обозначения букв, звуков и слов используют символы. Около 2800 до нашей эры соседи шумеров вавилоняне, ассирийцы и персы преобразовали пиктографическое письмо в клинопись. И, наконец, около 1300 лет до нашей эры в Сирии был создан первый алфавит. Он состоял из 32 букв, каждая из которых соответствовала отдельному звуку. Древние греки заимствовали эту систему, и она стала предшественницей латинского алфавита.
В древнем мире недостаточность знаний приводила к обожествлению сил природы, и люди, изучающие их, становились одновременно жрецами богов. Египетские жрецы - астрономы считали небо огромными часами и по расположению луны и звезд узнавали время разлива Нила и сроки празднования тех или иных праздников. Первый календарь, состоящий из 365 дней, ввел египетский жрец по имени Имхотеп.
Шумеры (около 4000-3200 лет до н. э.) изобрели десятичную систему счета и были искусными математиками и астрономами.
Вавилоняне (1900 - 600 лет до н. э.) умели предсказывать движения планет и звезд, пользуясь таблицами с описаниями перемещений планет, составленных на основе многолетних наблюдений. Они хотели уточнить календарь и предсказать будущее. Вавилоняне давали созвездиям имена своих богов. Эти знания легли в основу древнегреческой астрологии.
Общепринято мнение, что первоистоки современной науки - из древнегреческой культуры, чему способствуют ссылки основоположников современной науки Н.Коперника, И.Кеплера, Г.Галилея на работы мыслителей Древней Греции. Древние греки, пытаясь глубоко понять и изучить окружающий мир, ставили много вопросов, проделывали различные вычисления, наблюдали и классифицировали окружающий мир. Они впервые поняли необходимость естественнонаучного, а не божественного, объяснения причин и следствий наблюдаемых явлений и предметов. Но самым главным достижением древних греков было не отрицание божественного происхождения мира, а создание учения об атомном строении веществ и первых академий и лицеев как учебных заведений. Идеи атомистики оказали существенное влияние на творчество Бойля, Ньютона, Ломоносова, Дальтона, Авогадро, Лавуазье, Менделеева и других выдающихся естествоиспытателей. Благодаря их усилиям, на базе идей атомистического учения, еще до экспериментального подтверждения существования атомов, была разработана физико-химическая теория строения вещества. На ее основе в XIX в. были достигнуты поразительные успехи в области химии.
Идеи греков стали известны Европе через арабов. Все нынешние произведения древних греков мы знаем в переводах с арабского на латынь. Арабские ученые сохранили и передали средневековой Европе идеи античности. Арабское средневековье не только впитало знания и философию древних греков, но и имело значительные научные достижения. В арабском мире, особенно в эпоху между 900 и 1200 гг., процветали науки и искусства. Арабские мыслители создали алгебру. У них даже поэты были вначале математиками и уже потом поэтами. Развитие крупных городов послужило источником развития медицины. Произведение Абу Али ибн Сины (Авиценны), выходца с территории нынешнего Узбекистана, "Канон медицины" практически до 17 века был каноном для всех врачей.
Арабские мыслители подарили науке не только методологические установки, но и множество терминов - аль хебри - алгебра, аль хемия - алхимия, аль хогол – алкоголь и др. В науке, как правило, многие явления обозначаются латинскими и греческими словами, и эти слова воспринимаются как термины. Они и являются терминами. Но арабские ученые создали именно сами термины, которые уже потом были переведены на латынь. Каждая наука имеет свой язык, выраженный совокупностью понятий и терминов. Многие слова греческого языка наряду с латынью используются в виде научных терминов. Однако сами термины были изобретены арабами.
5. Естествознание средневековья (мусульманский Восток, христианский Запад)
Эпоха средних веков характеризовалась в Европе закатом классической греко-римской культуры и резким усилением влияния церкви на всю духовную жизнь общества. В эту эпоху философия тесно сближается с теологией (богословием), фактически становится ее «служанкой». Возникает непреодолимое противоречие между наукой, делающей свои выводы из результатов наблюдение опытов, включая и обобщение этих результатов, и схоластическим богословием, для которого истина заключается в религиозных догмах. Пока европейская христианская наука переживала длительный период упадка (вплоть до ХII-ХШ вв.), на Востоке, наоборот, наблюдался прогресс науки. Со второй половины VIII в. научное лидерство явно переместилось из Европы на Ближний Восток. В IX веке, наряду с главным трудом Птолемея
(«Альмагест»), на арабский язык были переведены «Начала» Евклида
и сочинения Аристотеля
. Таким образом, древнегреческая научная мысль получила известность в мусульманском мире, способствуя развитию астрономии и математики. В истории науки этого периода известны такие имена арабских ученых, как Мухаммед
аль-Баттани
(850—929 гг.), астроном, составивший новые астрономические таблицы, Ибн-Юнас
(950-1009 гг.), достигший заметных успехов в тригонометрии и сделавший немало ценных наблюдений лунных и солнечных затмений, Ибн аль-Хайсам
(965-1020 гг.), получивший известность своими работами в области оптики, Ибн-Рушд
(1126-1198 гг.), виднейший философ и естествоиспытатель своего времени, считавший Аристотеля своим учителем. Средневековой арабской науке принадлежат и наибольшие успехи в химии. Опираясь на материалы александрийских алхимиков I века и некоторых персидских школ, арабские химики достигли значительного прогресса в своей области. В их работах алхимия постепенно превращалась в химию. А уже отсюда (благодаря, главным образом, испанским маврам) в позднее средневековье возникла европейская химия. В XI веке страны Европы пришли в соприкосновение с богатствами арабской цивилизации, а переводы арабскихтекстов стимулировали восприятие знаний Востока европейскими народами. Большую роль в подъеме западной христианской науки сыграли университеты (Парижский, Болонский, Оксфордский, Кембриджский и др.), которые стали образовываться, начиная с XII века. И хотя эти университеты первоначально предназначались для подготовки духовенства, но в них уже тогда начинали изучаться предметы математического и естественнонаучного направления, а само обучение носило, более чем когда-либо раньше, систематический характер. XIII век характерен для европейской науки началом эксперимента и дальнейшей разработкой статики Архимеда
. Здесь наиболее существенный прогресс был достигнут группой ученых Парижского университета во главе с Иорданом Неморарием
(вторая половина XIII в.). Они развили античное учение о равновесии простых механических устройств, решив задачу, с которой античная механика справиться не могла, — задачу о равновесии тела на наклонной плоскости. В XIV веке в полемике с античными учеными рождаются новые идеи, начинают использоваться математические методы, т. е. идет прогресс подготовки будущего точного естествознания. Лидерство переходит к группе ученых Оксфордского университета, среди которых наиболее значительная фигура — Томас Брадвардин
(1290-1349 гг.). Ему принадлежит трактат «О пропорциях» (1328 г.), который в истории науки оценивается как первая попытка написать «Математические начала натуральной философии» (именно так почти триста шестьдесят лет спустя назовет свой знаменитый труд Исаак Ньютон). Научные знания эпохи средневековья ограничивались в основном познанием отдельных явлений и легко укладывались в умозрительные натурфилософские схемы мироздания, выдвинутые еще в период античности (главным образом в учении Аристотеля). В таких условиях наука еще не могла подняться до раскрытия объективных законов природы. Естествознание — в его нынешнем понимании — еще не сформировалось. Оно находилось в стадии своеобразной «преднауки».
6. Наука Нового времени (Н. Коперник, Дж. Бруно, Г. Галилей, И. Ньютон и другие)
Период конца XV-XVI веков, получивший название эпохи Возрождения, ознаменовал переход от средневековья к Новому времени
. Наука Нового времени отличалась существенным прогрессом и радикальным изменением миропонимания, которое явилось следствием появления гелиоцентрического учения великого польского астронома Николая Коперника
(1473-1543). Также он является создателем теории о вращении Земли вокруг Солнца, о суточном вращении Земли вокруг своей оси. Эта теория вступала в противоречие с существовавшими представлениями о Земле как избраннице Божией, стоящей, согласно схеме Птолемея, в центре мира. Коперник высказал очень важную мысль о движении как естественном свойстве небесных и земных объектов, подчиненном некоторым общим закономерностям единой механики. Тем самым было разрушено догматизированное представление Аристотеля о неподвижном «перводвигателе», якобы приводящем в движение Вселенную.
Одним из активных сторонников учения Н. Коперника был знаменитый итальянский мыслитель Джордано Бруно
(1548-1600). Он пошел дальше Коперника, отрицая наличие центра Вселенной вообще и отстаивая тезис о бесконечности Вселенной. Ряд новых положений, которыми Дж. Бруно дополнил систему Н. Коперника:
- о существовании бесконечного количества миров;
- о том, что Солнце не является неподвижным, а меняет свое положение по отношению к звездам;
- о том, что атмосфера Земли вращается вместе с нею.
Главная идея Дж. Бруно – идея о материальном единстве Вселенной как совокупности бесчисленных миров, таких же планетных систем, как наша. 17 февраля 1600 г., как нераскаявшийся еретик, Дж. Бруно был сожжен на костре, на Площади цветов в Риме инквизицией.
Трагическая гибель Джордано Бруно произошла на рубеже двух эпох: эпохи Возрождения и эпохи Нового времени. Последняя охватывает три столетия – XVII, XVIII, XIX века. В этом трехсотлетнем периоде особую роль сыграл XVII век, ознаменовавшийся рождением современной науки, у истоков которой стояли такие выдающиеся ученые, как Галилей, Кеплер, Ньютон.
Галилео Галилей
(1564-1642) – великий итальянский астроном и физик, создатель основ механики, борец за передовое мировоззрение. Он сформулировал принцип инерции:
тело либо находится в состоянии покоя, либо движется, не изменяя направления и скорости своего движения, если на него не производится какого-либо внешнего воздействия.
Также он установил, что скорость свободного падения тел не зависит от их массы (как думал Аристотель), а пройденный падающим телом путь пропорционален квадрату времени падения. Именно Г. Галилей открыл, что траектория брошенного тела, движущегося под воздействием начального толчка и земного притяжения, является параболой. Ему принадлежит экспериментальное обнаружение весомости воздуха, открытие законов колебания маятника, немалый вклад в разработку учения о сопротивлении материалов. Велики его заслуги в области астрономии:
- открыл 4 спутника Юпитера;
- открыл пятна на Солнце и кольца Сатурна;
- увидел, что поверхность Луны гористого строения, и что Луна имеет либрацию (видимые периодические колебания маятникового характера вокруг центра);
- убедился, что кажущийся туманностью Млечный Путь состоит из множества отдельных звезд;
- принял теории Коперника о строении Вселенной;
- считался «отцом» экспериментальной физики, так как верным считал то, что может быть доказано опытным путем;
- единственным критерием истины считал чувственный опыт, практику.
Галилею пришлось предстать перед судом инквизиции. После длительных допросов он был вынужден отречься от учения Коперника и принести публичное покаяние.
Однако прервать преемственность научной мысли было уже невозможно, и с астрономическими наблюдениями Галилея ознакомился и высоко оценил Иоган Кеплер
(1571-1630) – один из крупнейших математиков и астрономов конца XVI – первой трети XVII века. На основе обобщения данных астрономических наблюдений он установил три закона движения планет относительно Солнца.
1-й закон:
каждая планета движется по эллипсу, в одном из фокусов которого находится Солнце.
2-й закон:
радиус-вектор, проведенный от Солнца к планете, в равные промежутки времени описывает равные площади.
3-й закон:
квадраты времен обращения планет вокруг Солнца относятся как кубы их средних расстояний от него.
Также Кеплер разработал теорию солнечных и лунных затмений, предложил способы их предсказания, уточнил величину расстояния между Землей и Солнцем, составил Рудольфовы таблицы (с помощью этих таблиц можно было определять положение планет в любой момент времени с высокой степенью точности). Кеплеру принадлежит решение ряда важных для практики стереометрических задач. Он был сторонником гелиоцентрической космологии Коперника.
Творчеством одного из величайших ученых человечества, каковым был Исаак Ньютон
(1643-1727), завершалась вторая научная революция. Его научное наследие чрезвычайно разнообразно. Самое главное научное достижение И. Ньютона было продолжение и завершение дела Галилея по созданию классической механики. Ньютон сформулировал три основных закона движения, которые легли в основу механики как науки.
1-й закон:
всякое тело сохраняет состояние покоя или равномерного и прямолинейного движения до тех пор, пока оно не будет вынуждено изменить его под действием каких-то сил.
2-й закон:
приобретаемое телом под действием какой-то силы ускорение прямо пропорционально этой действующей силе и обратно пропорционально массе тела.
3-й закон:
действия двух тел друг на друга равны по величине и направлены в противоположные стороны.
Данная система законов движения была дополнена открытым Ньютоном законом всемирного тяготения, согласно которому все тела, независимо от их свойств и от свойств среды, в которой они находятся, испытывают взаимное притяжение, прямо пропорциональное их массам и обратно пропорциональное квадрату расстояния между ними. Ньютон создал дифференциальное и интегральное исчисления. Он сделал важные астрономические наблюдения, внес большой вклад в развитие оптики (опыты в области дисперсии света). В 1687 году вышел в свет главный труд Ньютона «Математические начала натуральной философии», заложивший основы современной теоретической физики.
7. Классическое естествознание – характеристика
В XVII веке родилось классическое естествознание, у истоков которого стояли такие выдающиеся ученые как Н. Коперник, Г. Галилей, И. Кеплер, Р. Декарт, И. Ньютон, Ф. Бэкон.
1.Классическое естествознание заговорило языком математики. Античная наука тоже ценила математику, однако ограничивала сферу ее применения «идеальными» небесными сферами, полагая, что описание земных явлений возможно только качественное, т.е. нематематическое. Новое естествознание сумело выделить строго объективные количественные характеристики земных тел (форма, величина, масса, движение) и выразить их в строгих математических закономерностях.
2.Новоевропейская наука нашла также мощную опору в методах экспериментального исследования явлений со строго контролируемыми условиями. Это подразумевало активное, наступательное отношение к изучаемой природе, а не просто ее созерцание и умозрительное воспроизведение.
3.Классическое естествознание безжалостно разрушило античные представления о космосе как вполне завершенном и гармоничном мире, который обладает совершенством, целесообразностью и т.д. На смену им пришла скучная концепция бесконечной, без цели и смысла существующей Вселенной, объединяемой лишь идентичностью законов.
4.Доминантой классического естествознания, да и всей науки Нового времени стала механика. Возникла мощная тенденция сведения (редукции) всех знаний о природе к фундаментальным принципам и представлениям механики. При этом все соображения, основанные на понятиях ценности, совершенства, целеполагания были грубо изгнаны из царства научной мысли. Утвердилась чисто механическая картина природы.
5.Сформировался также четкий идеал научного знания: раз и навсегда установленная абсолютно истинная картина природы, которую можно подправлять в деталях, но радикально переделывать уже нельзя. При этом в познавательной деятельности подразумевалась жесткая оппозиция субъекта и объекта познания, их строгая разделенность. Объект познания существует сам по себе, а субъект (тот, кто познает) как бы со стороны наблюдает и исследует внешнюю по отношению к нему вещь (объект), будучи при этом ничем не связанным и не обусловленным в своих выводах, которые в идеале воспроизводят характеристики объекта так, как есть «на самом деле».
8. Неклассическое естествознание – характеристика
Подрыву классических представлений в естествознании способствовали некоторые идеи, которые зародились еще в середине XIX века, когда классическая наука находилась в зените славы. Среди этих первых неклассических идей, в первую очередь, следует отметить эволюционную теорию Ч. Дарвина. Как известно, в соответствии с этой теорией биологические процессы в природе протекают сложным, необратимым, зигзагообразным путем, который на индивидуальном уровне совершенно непредсказуем. Явно не вписывались в рамки классического детерминизма и первые попытки Дж. Максвелла и Л. Больцмана применить вероятностно-статистические методы к исследованию тепловых явлений. Г. Лоренц, А. Пуанкаре и Г. Минковский еще в конце XIX века начали развивать идеи релятивизма, подвергая критике устоявшиеся представления об абсолютном характере пространства и времени. Эти и другие революционные с точки зрения классической науки идеи привели в самом начале XX века к кризису естествознания, коренной переоценке ценностей, доставшихся от классического наследия.Научная революция, ознаменовавшая переход к неклассическому этапу в истории естествознания, в первую очередь, связана с именами двух великих ученых XX века - М. Планком и А. Эйнштейном. Первый ввел в науку представление о квантах электромагнитного поля, второй навсегда останется в истории человечества как автор специальной и общей теории относительности. Буквально в течение первой четверти века был полностью перестроен весь фундамент естествознания, который в целом остается достаточно прочным и в настоящее время. Что же принципиально нового в понимании природы принесло с собой неклассическое естествознание?
1. Прежде всего, следует иметь в виду, что решающие шаги в становлении новых представлений были сделаны в области атомной и субатомной физики, где человек попал в совершенно новую познавательную ситуацию. Те понятия (положение в пространстве, скорость, сила, траектория движения и т.п.), которые с успехом работали при объяснении поведения макроскопических природных тел, оказались неадекватными и, следовательно, непригодными для отображения явлений микромира. И причина этого заключалась в том, что исследователь непосредственно имел дело не с микрообъектами самими по себе, как он к этому привык в рамках представлений классической науки, а лишь с "проекциями" микрообъектов на макроскопические "приборы". В связи с этим в теоретический аппарат естествознания были введены понятия, которые не являются наблюдаемыми в эксперименте величинами, а лишь позволяют определить вероятность того, что соответствующие наблюдаемые величины будут иметь те или иные значения в тех или иных ситуациях. Более того, эти ненаблюдаемые теоретические объекты (например, y - функция Шредингера в квантовой механике или кварки в современной теории адронов) становятся ядром естественнонаучных представлений, именно для них записываются базовые соотношения теории.
2. Второй особенностью неклассического естествознания является преобладание же упомянутого вероятностно-статистического подхода к природным явлениям и объектам, что фактически означает отказ от концепции детерминизма. Переход к статистическому описанию движения индивидуальных микрообъектов было, наверное, самым драматичным моментом в истории науки, ибо даже основоположники новой физики так и не смогли смириться с онтологической природой такого описания ("Бог не играет в кости", - говорил А. Эйнштейн), считая его лишь временным, промежуточным этапом естествознания.
3. Далеко за рамки естествознания вышла сформулированная Н. Бором и ставшая основой в неклассической физике идея дополнительности. В соответствии с этим принципом, получение экспериментальной информации об одних физических величинах, описывающих микрообъект, неизбежно связано с потерей информации о некоторых других величинах, дополнительных к первым. Такими взаимно дополнительными величинами являются, например, координаты и импульсы, кинетическая и потенциальная энергия, напряженность электромагнитного поля и число фотонов и т.п. Таким образом, с точки зрения неклассического естествознания невозможно не только однозначное, но и всеобъемлющее предсказание поведения всех физических параметров, характеризующих динамику микрообъектов.
4. Для неклассического естествознания характерно объединение противоположных классических понятий и категорий. Например, в современной науке идеи непрерывности и дискретности уже не являются взаимоисключающими, а могут быть применены к одному и тому же объекту, в частности, к физическому полю или к микрочастице (корпускулярно-волновой дуализм). Другим примером может служить относительность одновременности: события, одновременные в одной системе отсчета, оказываются неодновременными в другой системе отсчета, движущейся относительно первой.
5. Произошла в неклассической науке и переоценка роли опыта и теоретического мышления в движении к новым результатам. Прежде всего, была зафиксирована и осознана парадоксальность новых решений с точки зрения "здравого смысла". В классической науке такого резкого расхождения науки со здравым смыслом не было. Основным средством движения к новому знанию стало не его построение снизу, отталкиваясь от фактической, эмпирической стороны дела, а сверху. Явное предпочтение методу математической гипотезы, усложнение математической символики все чаще стали выступать средствами создания новых теоретических конструкций, связь которых с опытом оказывается не прямой и не тривиальной.
9. Стадии развития естествознания (синкретическая, аналитическая, синтетическая, интегрально-дифференциальная)
1. Синкретическая стадия.
На этой стадии сформировались общие, нерасчленённые, недетализированные представления об окружающем мире как о чём-то целом, появилась так называемая натурфилософия (философия Природы), превратившаяся во всеобщее вместилище идей и догадок, ставших к XIII-XV столетиям начатками естественных наук.
2. Аналитическая стадия.
Она последовала с XV-XVI веков – мысленное расчленение и выделение частностей, приведшее к возникновению и развитию физики, химии и биологии, а также целого ряда других, более частных, естественных наук (наряду с издавна существовавшей астрономией).
3. Синтетическая стадия.
Наступила позднее, уже ближе к нашему времени, когда постепенно стало происходить воссоздание целостной картины Природы на основе ранее познанных частностей.
4. Интегрально-дифференциальная стадия.
Наконец, в настоящее время пришла пора не только обосновать принципиальную целостность (интегральность) всего естествознания, но и ответить на вопрос: почему именно физика, химия и биология (а также психология) стали основными и как бы самостоятельными разделами науки о Природе, т.е. начинает осуществляться необходимая заключительная интегрально-дифференциальная стадия. Поэтому естествознание как действительно единая наука о Природе рождается фактически только теперь. Лишь на данной заключительной стадии можно на самом деле рассматривать Природу (Вселенную, Жизнь и Разум) как единый многогранный объект естествознания.
Однако все эти четыре стадии исследования Природы, по существу, представляют собой звенья одной цепи.
10. Древнегреческая натурфилософия (Аристотель, Демокрит, Пифагор и др.)
Первой в истории человечества формой существования естествознания была так называемая натурфилософия (от лат. - natura — природа), или философия природы. Древнегреческая натурфилософия подразделяется на 3 периода.
1. Ионийский период (
VI
-
V
века до н.э.).
Господствует учение о первоначалах мира (огонь, вода, воздух, земля). Фалес Милетский
(640-564 до н.э.) – древнегреческий философ, считал, что первоначалом всех вещей является вода, и всё произошедшее от неё наделено свойствами жизни, одушевлено. Анаксимандр
(640-547 до н.э.) – ученик Фалеса, представлял себе первовещество более абстрактным, более неопределенным, бесконечным, или «апейроном», породившим и воздух и воду, в которой возникла жизнь.
Первая научная программа древности
– математическая программа Пифагора
(580-500 до н.э.). Помимо известной «теоремы Пифагора» на счету этого античного ученого имеется и ряд других научных достижений. К их числу относится, например, введение понятия иррациональности. Превыше всего ставил Число. Считая, что мир состоит из пяти элементов (земли, огня, воздуха, воды и эфира), Пифагор увязал их с пятью видами правильных многогранников с тем или иным числом граней. Пифагор заложил основы развития естествознания, опираясь на числовые закономерности, на законы бытия.
2. Афинский период (
V
-
IV
века до н.э.).
Автором второй научной программы древности
– физической программы был Демокрит
(ок. 460-370 до н.э.). Его атомистическое учение объясняло целое как сумму отдельно составляющих его идей. Основные принципы атомизма Демокрита:
- вся Вселенная состоит из мельчайших материальных частиц — атомов и незаполненного пространства — пустоты. Наличие последней является обязательным условием для осуществления перемещения атомов в пространстве;
- атомы неуничтожимы, вечны, а потому и вся Вселенная, из них состоящая, существует вечно;
- атомы представляют собой мельчайшие, неизменные, непроницаемые и абсолютно неделимые частицы — последние, образно говоря, «кирпичики мироздания»;
- атомы находятся в постоянном движении, изменяют свое положение в пространстве;
- различаются атомы по форме и величине;
- все предметы материального мира образуются из атомов различных форм и различного порядка их сочетаний.
Третьей научной программой древности
было учение Аристотеля
(384-322 до н.э.). Он представил мир как целое, естественно возникшее образование, имеющее причины развития в себе самом. В истории науки Аристотель известен также как автор космологического учения, которое оказало огромное влияние на миропонимание многих последующих столетий. Космология Аристотеля — геоцентристическое воззрение. Аристотель рассматривает Бога как разум мирового масштаба, дающий энергию «перводвигатель».
3. Эллинистский период (330 г. до н.э. – 30 г. н.э.).
Одним из крупнейших ученых-математиков этого периода был Евклид
(III век до н.э.). В своём труде «Начала» систематизировал все математические достижения того времени. В «Началах» были заложены основы античной математики. Созданный Евклидом метод аксиом позволил ему построить здание геометрии, носящей по сей день его имя. В этот период были также немалые достижения в области механики. Архимед
(287-212 до н.э.) – первоклассный ученый, математик и механик эллинистского периода, решил ряд задач по вычислению площадей поверхностей и объемов, определил значение числа π (пи), ввёл понятие центра тяжести и разработал методы его определения для различных тел, дал математический вывод законов рычага. Широчайшую известность получил закон Архимеда, касающийся плавучести тел. Согласно этому закону, на всякое тело, погруженное в жидкость, действует поддерживающая сила, равная весу вытесненной телом жидкости, направленная вверх и приложенная к центру тяжести вытесненного объема.
В этот период получили своё развитие идеи атомистики в учении Эпикура
(341-270 до н.э.). Он внёс в описание атомов, сделанное Демокритом, некоторые поправки:
- атомы не могут превышать известной величины;
- число форм атомов ограничено;
- атомы обладают тяжестью и т. д.
Но самое главное в атомистическом учении Эпикура – это попытка найти какие-то внутренние источники жизни атомов.
Он высказал мысль, что изменение направления их движения может быть обусловлено причинами, содержащимися внутри самих атомов
.
11. Научные методы. Эмпирический уровень (наблюдение, измерение, эксперимент) и теоретический уровень (абстрагирование, формализация, идеализация, индукция, дедукция)
Методос
– путь к достижению цели.
Научный метод
– это совокупность приёмов и операций практического и теоретического освоения действительности.
Научный метод как таковой подразделяется на методы, используемые на каждом уровне исследований. Выделяются, таким образом, эмпирические и теоретические методы.
К методам эмпирического уровня исследований относятся:
1) наблюдение
- целенаправленное восприятие явлений объективной действительности;
2) описание
- фиксация средствами естественного или искусственного языка сведений об объектах;
3) измерение
- сравнение объектов по каким-либо сходным свойствам или сторонам;
4) эксперимент
- наблюдение в специально создаваемых и контролируемых условиях, что позволяет восстановить ход явления при повторении условий.
К методам теоретического уровня исследований относятся:
1) абстрагирование
- отвлечение от ряда несущественных для данного исследования свойств и отношений изучаемого явления с одновременным выделением интересующих нас свойств и отношений;
2) формализация
- построение абстрактно-математических моделей, раскрывающих сущность изучаемых процессов действительности;
3) идеализация
- это мыслительное образование абстрактных объектов, не существующих и не осуществимых в действительности, но для которых имеются прообразы в реальном мире.
4) индукция
- метод исследования и способ рассуждения, в котором общий вывод строится на основе частных посылок;
5) дедукция
- способ рассуждения, посредством которого из общих посылок с необходимостью следует заключение частного характера.
12. Пространство и время (классическая механика И. Ньютона и теория относительности А. Эйнштейна)
Пространство и время в классической механике И. Ньютона
В 1687 г. вышел основополагающий труд Ньютона «Математические начала натуральной философии». Этот труд более чем на два столетия определил развитие всей естественно-научной картины мира. В нем были сформулированы основные законы движения и дано определение понятий пространства, времени, места и движения.
Раскрывая сущность времени и пространства, Ньютон характеризует их как «вместилища самих себя и всего существующего. Во времени все располагается в смысле порядка последовательности, в пространстве — в смысле порядка положения».
Он предлагает различать два типа понятий пространства и времени: абсолютные (истинные, математические) и относительные (кажущиеся, обыденные) и дает им следующую типологическую характеристику.
- Абсолютное, истинное, математическое время
само по себе и по своей сущности, без всякого отношения к чему-либо внешнему, протекает равномерно и иначе называется длительностью.
- Относительное, кажущееся, или обыденное, время
есть или точная, или изменчивая, постигаемая чувствами, внешняя мера продолжительности, употребляемая в обыденной жизни вместо истинного математического времени, как-то: час, день, месяц, год.
- Абсолютное пространство
по своей сущности, безотносительно к чему бы то ни было внешнему, остается всегда одинаковым и неподвижным.
- Относительное пространство
есть мера или какая-либо ограниченная подвижная часть, которая определяется нашими чувствами по положению его относительно некоторых тел и которое в обыденной жизни принимается за пространство неподвижное.
Из определений Ньютона следовало, что разграничение им понятий абсолютного и относительного пространства и времени связано со спецификой теоретического и эмпирического уровней их познания. На теоретическом уровне классической механики абсолютное пространство и время играли существенную роль во всей причинной структуре описания мира. Они выступали в качестве универсальной инерциальной системы отсчета, так как законы движения классической механики справедливы в инерциальных системах отсчета. На уровне эмпирического познания материального мира понятия «пространство» и «время» ограничены чувствами и свойствами познающей личности, а не объективными признаками реальности как таковой. Поэтому они выступают в качестве относительного времени и пространства.
Пространство и время в теории относительности А. Эйнштейна
А. Эйнштейн отказался от представлений классической механики. Согласно представлению Эйнштейна, каждое движение тела происходит относительно определённого тела отсчёта, поэтому все физические процессы и законы должны формулироваться по отношению к точной системе отсчёта, следовательно, не существует никакого абсолютного пространства и времени. Он впервые связывает обособленные в классической механике понятия пространства и времени в понятие пространственно-временной непрерывности (континуум).
Теория относительности рассматривает наш мир как четырёхмерный, где тремя координатами x
,
y
,
z
описывают пространство, а четвёртой – t
– время.
До 1915 г. пространство и время воспринимались как некая жесткая арена для событий, на которую все происходящее на ней никак не влияет. Так обстояло дело даже в специальной теории относительности. Тела двигались, силы притягивали и отталкивали, но время и пространство просто оставались самими собой, их это не касалось. И было естественно думать, что пространство и время бесконечны и вечны.
В общей же теории относительности А. Эйнштейнаситуация совершенно иная. Пространство и время теперь динамические величины: когда движется тело или действует сила, это изменяет кривизну пространства и времени, а структура пространства-времени в свою очередь влияет на то, как движутся тела и действуют силы. Пространство и время не только влияют на все, что происходит во Вселенной, но и сами изменяются под влиянием всего в ней происходящего. Как без представлений о пространстве и времени нельзя говорить о событиях во Вселенной, так в общей теории относительности стало бессмысленным говорить о пространстве и времени за пределами Вселенной.
В последующие десятилетия новому пониманию пространства и времени предстояло произвести переворот в наших взглядах на Вселенную. Старое представление о почти не меняющейся Вселенной, которая, может быть, всегда существовала и будет существовать вечно, сменилось картиной динамической, расширяющейся Вселенной, которая, по-видимому, возникла когда-то в прошлом и, возможно, закончит свое существование когда-то в будущем.
Пространство
– форма бытия материи, характеризующая её протяжённость, структурность, сосуществование и взаимодействие во всех материальных системах.
Время
характеризует последовательность смены состояний и длительность бытия любых объектов и процессов, внутреннюю связь сменяющихся и сохраняющихся состояний.
Общие свойства пространства и времени:
- объективность
– т.е. существуют независимо от сознания людей и познания ими этой объективной реальности;
- абсолютность
– вытекает из признания тезиса о том, что бытие вне времени есть такая же бессмыслица, как и бытие вне пространства;
- относительность
– человеческие представления о пространстве и времени относительны; из этих относительных представлений складывается абсолютная истина;
- бесконечность.
Общие свойства пространства:
- протяженность;
- связанность и непрерывность
– между двумя различными точками в пространстве, как близко бы они не находились, всегда есть третья;
- трёхмерность
– каждая точка пространства однозначно определяется набором трёх действительных чисел – координат;
- единство метрических и топологических характеристик
.
Общие свойства времени:
- длительность;
- единство прерывного и непрерывного
- между двумя моментами времени как близко бы они не располагались всегда можно выделить третий;
- необратимость
– следствие второго Начала термодинамики или Закона сохранения энтропии;
- одномерность
– любые явления, происходящие в одних и тех же условиях, но в разное время, будут протекать одинаково.
13. Естественнонаучная картина мира: физическая картина мира (механическая, электромагнитная, современная – квантово-релятивистская)
Естественнонаучная картина мира (ЕНКМ)
– это система важнейших принципов и законов, лежащих в основе окружающего нас мира.
Механическая картина мира (МКМ).
Формирование МКМ происходило в течение нескольких столетий до середины XIXвека под сильным влиянием взглядов выдающихся мыслителей древности: Демокрита, Эпикура, Аристотеля, Лукреция и др. Она явилась необходимым и очень важным шагом на пути познания природы.
Имена учёных, внесших основной вклад в создание МКМ: Н.Коперник, Г.Галилей, Р.Декарт, И.Ньютон, П.Лаплас и др.
Основные черты механической картины мира:
- все материальные тела состоят из молекул, находящихся в непрерывном и хаотическом механическом движении. Материя – вещество, состоящее из неделимых частиц;
- взаимодействие тел осуществляется согласно принципа дальнодействия, мгновенно на любые расстояния (закон всемирного тяготения, закон Кулона), или при непосредственном контакте (силы упругости, силы трения);
- пространство – пустое вместилище тел. Всё пространство заполняет невидимая невесомая «жидкость» - эфир;
- время – простая длительность процессов. Время абсолютно;
- всё движение происходит на основе законов механики Ньютона, все наблюдаемые явления и превращения сводятся к механическим перемещениям и столкновениям атомов и молекул;
- мир выглядит как колоссальная машина с множеством деталей, рычагов, колёсиков.
Достоинство МКМ состоит в том, что это первая научная картина мира.
Электромагнитная картина мира (ЭМКМ).
В XIX веке естественные науки накопили огромный эмпирический материал, нуждающийся в переосмыслении и обобщении. Многие полученные в результате исследований научные факты не совсем вписывались в устоявшиеся механические представления об окружающем мире. Во второй половине XIX века на основе исследований в области электромагнетизма сформировалась новая физическая картина мира - электромагнитная картина мира
(ЭМКМ). В её формировании сыграли решающую роль исследования, проведённые выдающимися учёными М. Фарадеем и Дж. Максвеллом, Г. Герцем
. Весь мир заполнен электромагнитным эфиром, который может находиться в различных состояниях. Физические поля трактовались как состояния эфира. Эфир является средой для распространения электромагнитных волн и, в частности, света. Материя существует в двух видах: вещество и поле.
Вещество
– это вид материи, имеющей атомарно-молекулярную или плазменную структуру. Частицы вещества имеют массу покоя, не равную нулю.
Поле
– это особый вид материи, посредством которого осуществляются электромагнитные взаимодействия; представляющий собой единство электрического и магнитного полей.
1. Материя считается непрерывной. Все законы природы сводятся к уравнениям Дж. Максвелла, описывающим непрерывную субстанцию: природа не делает скачков. Вещество состоит из электрически заряженных частиц, взаимодействующих между собой посредством полей.
2. На основе электромагнитных взаимодействий объясняются все известные механические, электрические, магнитные, химические, тепловые, оптические явления.
Современная – квантово-релятивистская (квантово-полевая) картина мира (КПКМ).
Как и все предшествующие картины мира, КПКМ представляет собой процесс дальнейшего развития и углубления наших знаний о сущности физических явлений. Процесс становления и развития КПКМ продолжается и прошел уже ряд стадий, в частности:
1)утверждение корпускулярно-волновых представлений о материи;2)изменение методологии познания и отношения к физической реальности;
Пояснение:
ранее считалось, что устройство мира можно познавать, не вмешиваясь в него, не влияя на протекающие в нем процессы, т.е. находясь как бы вне его, вне абсолютной физической реальности. Эйнштейн не включал в понятие «физическая реальность» акт наблюдения, а Бор считал его важным элементом физической реальности. Картина реальности в квантовой механике становится как бы двуплановой: с одной стороны в нее входят характеристики исследуемого объекта, а с другой – условия наблюдения. Таким образом, в КПКМ появляется принцип относительности к средствам наблюдения.
Все рассмотренные ранее картины мира отличались своей трактовкой таких фундаментальных понятий как пространство и время, движение, принцип причинности, взаимодействия. Рассмотрим, как они представлены в КПКМ.
Пространство и время.
При рассмотрении МКМ подчеркивалось, что пространство и время в ней абсолютны и независимы друг от друга. Для характеристики объекта в пространстве вводились три пространственные координаты (x
,
y
,
z
), а для обозначения времени независимо
от них вводилась одна временная координата t.
В СТО и ЭМКМ они потеряли абсолютный и независимый характер. Появилось новое пространство-время как абсолютная характеристика четырехмерного Мира (пространственно-временного континуума Минковского). И новая величина – пространственно-временной интервал стал оставаться неизменным (инвариантным) при переходе от одной системы отсчета к другой.
Причинность
. В МКМ при описании объектов используется два класса понятий: пространственно-временные, которые дают кинематическую картину движения и энергетически импульсные, которые дают динамическую (причинную) картину. В МКМ и ЭМКМ они независимы. В КПКМ, в соответствии соотношением неопределенностей они не могут применяться независимо друг от друга, они дополняют друг друга. Таким образом, пространство, время и причинность оказались относительными и зависимыми друг от друга.
Независимость пространства, времени и причинности в МКМ позволяет говорить о точной локализации объекта в пространстве, его траектории, об однозначной причинно-следственной связи (лапласовский детерминизм), об одновременном, точном измерении координат и скорости, энергии и времени.
В квантовой механике относительность пространства-времени и причинности приводит к неопределенности координат и скорости в данный момент, к отсутствию траектории движения микрообъекта. И если в классической физике вероятностным законам подчинялось поведение большого числа частиц, то в квантовой механике поведение каждой частицы подчиняется не динамическим (детерминистским), а статистическим законам.
Таким образом, причинность в современной КПКМ имеет вероятностный характер (вероятностная причинность).
14. Структурные уровни организации материи (микро-, макро- и мегамир)
В физике на основе пространственно-временных характеристик выделяют 3 уровня организации материи.
Микромир
— мир предельно малых, непосредственно не наблюдаемых микрообъектов, пространственная размерность которых исчисляется от 10-8
до 10-16
см, а время жизни — от 10-24
секунд до бесконечности.Сюда относятся поля, элементарные частицы, ядра, атомы и молекулы.
Макромир
— мир макрообъектов, размерность которых соотносима с масштабами человеческого опыта: пространственные величины выражаются в миллиметрах, сантиметрах и километрах, а время — в секундах, минутах, часах, годах.В практической действительности макромир представлен макромолекулами, веществами в различных агрегатных состояниях, живыми организмами, человеком и продуктами его деятельности, т.е. макротелами.
Мегамир
— мир объектов космических масштабов и скоростей, расстояние в котором измеряется световыми годами, а время существования космических объектов — миллионами и миллиардами лет.К этому уровню материи относятся наиболее крупные материальные объекты: звезды, галактики и их скопления.
И хотя на этих уровнях действуют свои специфические закономерности, микро-, макро- и мегамиры теснейшим образом взаимосвязаны.
Структура микромира.
На рубеже XIX—XX вв. в естественнонаучной картине мира произошли радикальные изменения, вызванные новейшими научными открытиями в области физики и затронувшие ее основополагающие идеи и установки. В результате научных открытий были опровергнуты традиционные представления классической физики об атомной структуре вещества. Открытие электрона означало утрату атомом статуса структурно неделимого элемента материи и тем самым коренную трансформацию классических представлений об объективной реальности. Новые открытия позволили:
1) выявить существование в объективной реальности не только макро-, но и микромира;
2) подтвердить представление об относительности истины, являющейся только ступенькой на пути познания фундаментальных свойств природы;
3) доказать, что материя состоит не из «неделимого первоэлемента» (атома), а из бесконечного многообразия явлений, видов и форм материи и их взаимосвязей.
Структура макромира.
Каждый структурный уровень материи в своем развитии подчиняется специфическим законам, но при этом между этими уровнями нет строгих и жестких границ, все они теснейшим образом связаны между собой. Границы микро- и макромира подвижны, не существует отдельного микромира и отдельного макромира. Естественно, что макрообъекты и мегаобъекты построены из микрообъектов. Тем не менее, выделим важнейшие объекты макромира.
Центральным понятием макромира является понятие вещества, которое в классической физике, являющейся физикой макромира, отделяют от поля. Под веществом понимают вид материи, обладающий массой покоя. Оно существует для нас в виде физических тел, которые обладают некоторыми общими параметрами — удельной массой, температурой, теплоемкостью, механической прочностью или упругостью, тепло- и электропроводностью, магнитными свойствами и т.п. Все эти параметры могут изменяться в широких пределах как от одного вещества к другому, так и для одного и того же вещества в зависимости от внешних условий.
Структура мегамира.
Основными структурными элементами мегамира являются планеты и планетные системы; звезды и звездные системы, образующие галактики; системы галактик, образующие метагалактики.
15. Вещество и поле. Корпускулярно-волновой дуализм
Вещество
– это вид материи, имеющей атомарно-молекулярную или плазменную структуру. Частицы вещества имеют массу покоя, не равную нулю.
Вселенная представляет собой самую крупную вещественную систему, т. е. систему объектов, состоящих из вещества. В современном представлении различают три взаимосвязанных формы материи: вещество, поле и физический вакуум. Вещество состоит из дискретных частиц, проявляющих волновые свойства. Для микрочастиц характерна двойственная корпускулярно-волновая природа. Свойства физического вакуума пока познаны намного хуже многих вещественных систем и структур. Физический вакуум обнаруживается при взаимодействии с веществом на его глубинных уровнях. Предполагается, что вакуум и вещество неразделимы и ни одна вещественная частица не может быть изолирована от его присутствия и влияния. В соответствии с концепцией самоорганизации физический вакуум выступает в роли внешней среды для Вселенной.
У вещества есть четыре агрегатных состояния:
- твердое;
- жидкое;
- газообразное;
- плазма.
Поле
– особое состояние среды, в каждой точке которой заданы параметры, которые характеризуют состояние вещества и которые непрерывно и плавно меняются от точки к точке.
Поле является материальным фактором, который приводит к взаимодействию тел.
Корпускулярно-волновой дуализм
— это теория о том, что любое вещество (электромагнитное излучение, физическое тело, атом и т.п.) представляется на микроуровне одновременно и как мельчайшие частицы (корпускулы), и как волны.
В истории развития учения о свете сменяли друг друга корпускулярная теория света (Ньютон) и волновая (Р. Гук, Ч. Гюйгенс, Т. Юнг, Ж. Френель), представлявшая свет как механическую волну. В 70-х годах после утверждения теории Максвелла под светом стали понимать электромагнитную волну.
В начале 20-го века на основе экспериментов было неопровержимо доказано, что свет обладает как волновыми, так и корпускулярными свойствами. Было также обнаружено, что в проявлении этих свойств существуют вполне определенные закономерности: чем меньше длина волны (т.е. чем больше частота), тем сильнее проявляются корпускулярные свойства света.
В 1924 г. французский физик Луи де Бройль
выдвинул смелую гипотезу: корпускулярно-волновой дуализм имеет универсальный характер, т.е. и все частицы вещества, имеющие массу m и импульс p, обладают волновыми свойствами. Так в физике появилась знаменитая формула де Бройля : λ=h/ (mv), где m – масса частицы, v – ее скорость, h – постоянная Планка.
В настоящее время волновые свойства микрочастиц находят широкое применение, например, в электронном микроскопе. Современные электронные микроскопы позволяют видеть молекулы и даже атомы вещества (увеличение в 105
-106
раз).
При проявлении у микрообъекта корпускулярных свойств его волновые свойства существуют как потенциальная возможность, способная при определенных условиях перейти в действительность (диалектическое единство корпускулярных и волновых свойств материи).
По современным представлениям квантовый объект – это не частица, не волна, и даже не то и другое одновременно. Квантовый объект – это нечто третье, не равное простой сумме свойств частицы и волны. Для выражения свойства квантового объекта у нас в языке просто нет соответствующих понятий. Но, поскольку сведения о микрообъекте, о его характеристиках мы получаем в результате взаимодействия его с прибором (макрообъектом), то и описывать этот микрообъект приходится в классических понятиях, т.е. используя понятия волны и частицы.
16. Элементарные частицы: классификация и характеристика
Термин «элементарная частица»
первоначально означал простейшие, далее ни на что не разложимые частицы, лежащие в основе любых материальных образований. Позднее физики осознали всю условность термина «элементарный» применительно к микрообъектам. Сейчас уже не подлежит сомнению, что частицы имеют ту или иную структуру, но тем не менее исторически сложившееся название продолжает существовать. Основными характеристиками элементарных частиц являются масса, заряд, среднее время жизни, спин и квантовые числа.
Массу покоя
элементарных частиц определяют по отношению к массе покоя электрона. Существуют элементарные частицы, не имеющие массы покоя, — фотоны
. Остальные частицы по этому признаку делятся на: лептоны
— легкие частицы (электрон и нейтрино); мезоны —
средние частицы с массой в пределах от одной до тысячи масс электрона; барионы
— тяжелые частицы, чья масса превышает тысячу масс электрона и в состав которых входят протоны, нейтроны, гипероны и многие резонансы.
Электрический заряд
является другой важнейшей характеристикой элементарных частиц. Все известные частицы обладают положительным, отрицательным либо нулевым зарядом. Каждой частице, кроме фотона и двух мезонов, соответствуют античастицы с противоположным зарядом. В 1967 г. американский физик М. Гелл-Манн
высказал гипотезу о существовании кварков — частиц с дробным электрическим зарядом.
По времени жизни частицы делятся на стабильные и нестабильные.
Стабильных частиц пять: фотон, две разновидности нейтрино, электрон и протон. Именно стабильные частицы играют важнейшую роль в структуре макротел. Все остальные частицы нестабильны, они существуют около 10-10
— 10-24
,
после чего распадаются.
Помимо заряда, массы и времени жизни, элементарные частицы описываются также понятиями, не имеющими аналогов в классической физике: понятием «спин»,
или собственный момент количества движения микрочастицы, и понятием «квантовые числа»,
выражающим состояние элементарных частиц.
Согласно современным представлениям, все элементарные частицы делятся на два класса: фермионы
(названные в честь Э. Ферми) и бозоны
(названные в честь Ш. Бозе).
К фермионам относятся кварки и лептоны, к бозонам — кванты полей (фотоны, векторные бозоны, глюоны, гравитино и гравитоны). Эти частицы считаются истинно элементарными,
т.е. далее неразложимыми. Остальные частицы классифицируются как условно элементарные,
т.е. составные частицы, образованные из кварков и соответствующих квантов полей. Фермионы составляют вещество,
бозоны переносят взаимодействие.
Достижения в области исследования элементарных частиц способствовали дальнейшему развитию концепции атомизма. В настоящее время считают, что среди множества элементарных частиц можно выделить 12 фундаментальных частиц
и столько же античастиц. Шесть частиц — это кварки
с экзотическими названиями: «верхний», «нижний», «очарованный», «странный», «истинный», «прелестный»
. Остальные шесть — лептоны: электрон, мюон, тау-частица
и соответствующие им нейтрино (электронное, мюонное, тау-нейтрино).
Эти 12 частиц группируют в три поколения, каждое из которых состоит из четырех членов.
В первом поколении — «верхний» и «нижний» кварки, электрон и электронное нейтрино.
Во втором поколении — «очарованный» и «странный» кварки, мюон и мюонное нейтрино.
В третьем поколении — «истинный» и «прелестный» кварки и тау-частицы со своим нейтрино.
Обычное вещество состоит из частиц первого поколения.
Предполагается, что остальные поколения можно создать искусственно на ускорителях заряженных частиц.
На основе кварковой модели
физики разработали простое и изящное решение проблемы строения атомов.
Каждый атом состоит из тяжелого ядра (сильно связанных глюонными полями протонов и нейтронов) и электронной оболочки. Число протонов в ядре равно порядковому номеру элемента в периодической таблице химических элементов Д.И. Менделеева. Протон имеет положительный электрический заряд, массу в 1836 раз больше массы электрона, размеры порядка 10-13
см. Электрический заряд нейтрона равен нулю. Протон, согласно кварковой гипотезе, состоит из двух «верхних» кварков и одного «нижнего», а нейтрон — из одного «верхнего» и двух «нижних» кварков. Их нельзя представить в виде твердого шарика, скорее, они напоминают облако с размытыми границами, состоящее из рождающихся и исчезающих виртуальных частиц.
Остаются еще вопросы о происхождении кварков и лептонов, о том, являются ли они основными «кирпичиками» природы и насколько фундаментальны. Ответы на эти вопросы ищут в современной космологии. Большое значение имеет исследование рождения элементарных частиц из вакуума, построение моделей первичного ядерного синтеза, породивших те или иные частицы в момент рождения Вселенной.
17. Понятие взаимодействия. Концепция дальнодействия и близкодействия
Под взаимодействием
в более узком смысле понимают такие процессы, в ходе которых между взаимодействующими структурами и системами происходит обмен квантами определенных полей, энергией, а иногда и информацией.
В настоящее время принято считать, что любые взаимодействия каких угодно объектов могут быть сведены к ограниченному классу четырех основных видов фундаментальных взаимодействий: сильному, электромагнитному, слабому и гравитационному
. Интенсивность взаимодействия принято характеризовать с помощью так называемой константы взаимодействия, которая представляет собой безразмерный параметр, определяющий вероятность процессов, обусловленных данным видом взаимодействия. Отношение значений констант дает относительную интенсивность соответствующих взаимодействий.
Концепции дальнодействия и близкодействия.
Близкодействие и дальнодействие
—это взаимно противоположные взгляды для объяснения взаимодействия материальных структур. По концепции близкодействия
любое взаимодействие на материальные объекты может быть передано только между соседними точками пространства за конечный промежуток времени. Дальнодействие
допускает действие на расстоянии мгновенно с бесконечной скоростью, т. е. фактически вне времени и пространства. После Ньютона эта концепция получает широкое распространение в физике, хотя он сам понимал, что введенные им силы дальнодействия (например, силы тяготения) являются лишь формальным приближенным приемом, позволяющим дать верное в некоторых пределах описание наблюдаемых явлений. Окончательное утверждение принципа близкодействия пришло с выработкой концепции физического поля как материальной среды. Уравнения поля описывают состояние системы в данной точке в данный момент времени как зависящее от состояния в ближайший предшествующий момент в ближайшей соседней точке. Если электромагнитное поле может существовать независимо от материального носителя, то электрическое взаимодействие нельзя объяснить мгновенным действием на расстоянии. Поэтому дальнодействие Ньютона уступило место близкодействию, полям, распространяющимся в пространстве с конечной скоростью. Таким образом, согласно современной науке, взаимодействия между структурами передаются посредством соответствующего поля с конечной скоростью, равной скорости света в вакууме.
18. Характеристика основных видов взаимодействия (гравитационное, электромагнитное, сильное и слабое)
1. Гравитационное взаимодействие
является универсальным, однако в микромире не учитывается, так как из всех взаимодействий является самым слабым и проявляется только при наличии достаточно больших масс. Его радиус действия не ограничен, время также не ограничено. Обменный характер гравитационного взаимодействия до сих пор остается под вопросом, так как гипотетическая фундаментальная частица- гравитон- пока не обнаружена.
2. Электромагнитное взаимодействие:
константа порядка 10-2
, радиус взаимодействия не ограничен, время взаимодействия t ~ 10-20
с. Оно реализуется между всеми заряженными частицами. Частица-переносчик – фотон (γ-квант).
3.
Слабое взаимодействие
связано со всеми видами β-распада, им обусловлены многие распады элементарных частиц и взаимодействие нейтрино с веществом. Константа взаимодействия порядка 10-13
, t ~ 10-10
с. Это взаимодействие, как и сильное, является короткодействующим: радиус взаимодействия r~10-18
м. Частицы-переносчики – промежуточный векторный бозон: W+
, W-
, Z0
. (Ферми).
4.
Сильное взаимодействие
обеспечивает связь нуклонов в ядре. Константа взаимодействия принимается равной1, радиус действия порядка 10-15
м, время протекания t ~10-23
с. Сильное взаимодействие осуществляется между кварками – частицами, из которых состоят протоны и нейтроны – c помощью т.н. глюонов. (Юкава).
19. Основы квантовой механики: открытия М. Планка, Н. Бора, Э. Резерфорда, В. Паули, Э. Шрёдингера и др.
Квантовая теория родилась в 1901 г., когда Макс Планк
предложил теоретический вывод о соотношении между температурой тела и испускаемым этим телом излучением, вывод, который долгое время ускользал от других ученых. Как и его предшественники, Планк предположил, что излучение испускают атомные осцилляторы, но при этом считал, что энергия осцилляторов (и, следовательно, испускаемого ими излучения) существует в виде небольших дискретных порций, которые Эйнштейн назвал квантами. Энергия каждого кванта пропорциональна частоте излучения. Хотя выведенная Планком формула вызвала всеобщее восхищение, принятые им допущения оставались непонятными некоторое время, так как противоречили классической физике. В 1905 г. Альберт
Эйнштейн
воспользовался квантовой теорией для объяснения некоторых аспектов фотоэлектрического эффекта – испускания электронов поверхностью металла, на которую падает ультрафиолетовое излучение. Попутно Эйнштейн отметил кажущийся парадокс: свет, о котором на протяжении долгого времени было известно, что он распространяется как непрерывные волны, при поглощении и излучении проявляет дискретные свойства.
Примерно через восемь лет Нильс
Бор
распространил квантовую теорию на атом и объяснил частоты волн, испускаемых атомами, возбужденными в пламени или в электрическом разряде. Эрнест
Резерфорд
показал, что масса атома почти целиком сосредоточена в центральном ядре, несущем положительный электрический заряд и окруженном на сравнительно больших расстояниях электронами, несущими отрицательный заряд, вследствие чего атом в целом электрически нейтрален.
Бор предположил, что электроны могут находиться только на определенных дискретных орбитах, соответствующих различным энергетическим уровням, и что «перескок» электрона с одной орбиты на другую, с меньшей энергией, сопровождается испусканием фотона, энергия которого равна разности энергий двух орбит. Частота, по теории Планка, пропорциональна энергии фотона. Таким образом, модель атома Бора установила связь между различными линиями спектров, характерными для испускающего излучение вещества, и атомной структурой. Несмотря на первоначальный успех, модель атома Бора вскоре потребовала модификаций, чтобы избавиться от расхождений между теорией и экспериментом. Кроме того, квантовая теория на той стадии ещё не давала систематической процедуры решения многих квантовых задач. Однако стало ясно, что классическая физика неспособна объяснить тот факт, что движущийся с ускорением электрон не падает на ядро, теряя энергию при излучении электромагнитных волн.
Новая существенная особенность квантовой теории проявилась в 1924 г., когда Луи
де
Бройль
выдвинул радикальную гипотезу о волновом характере материи: если электромагнитные волны, например свет, иногда ведут себя как частицы (что показал Эйнштейн), то частицы, например электрон при определенных обстоятельствах, могут вести себя как волны. Таким образом, в микромире стёрлась граница между классическими частицами и классическими волнами. В формулировке де Бройля частота, соответствующая частице, связана с её энергией, как в случае фотона (частицы света), но предложенное де Бройлем математическое выражение было эквивалентным соотношением между длиной волны, массой частицы и её скоростью (импульсом). Существование электронных волн было экспериментально доказано в 1927 г. Клинтоном Дж. Дэвиссоном
и Лестером Х. Джермером
в Соединенных Штатах и Джорджем Паджетом Томсоном
в Англии.
В свою очередь это открытие привело к созданию в 1933 г. Эрнстом
Руской
электронного микроскопа.
Под впечатлением от комментариев Эйнштейна по поводу идей де Бройля Эрвин
Шрёдингер
предпринял попытку применить волновое описание электронов к построению последовательной квантовой теории, не связанной с неадекватной моделью атома Бора. В известном смысле он намеревался сблизить квантовую теорию с классической физикой, которая накопила немало примеров математического описания волн. Первая попытка, предпринятая им в 1925 г., закончилась неудачей. Скорости электронов в теории Шрёдингера были близки к скорости света, что требовало включения в неё специальной теории относительности Эйнштейна и учета предсказываемого ею значительного увеличения массы электрона при очень больших скоростях.
Одной из причин постигшей Шрёдингера неудачи было то, что он не учел наличия специфического свойства электрона, известного ныне под названием спина (вращение электрона вокруг собственной оси наподобие волчка, однако такое сравнение не совсем корректно), о котором в то время было мало известно. Следующую попытку Шрёдингер предпринял в 1926 г. Скорости электронов на этот раз были выбраны им настолько малыми, что необходимость в привлечении теории относительности отпадала сама собой. Вторая попытка увенчалась выводом волнового уравнения Шрёдингера, дающего математическое описание материи в терминах волновой функции. Шрёдингер назвал свою теорию волновой механикой. Решения волнового уравнения находились в согласии с экспериментальными наблюдениями и оказали глубокое влияние на последующее развитие квантовой теории. В настоящее время волновая функция лежит в основе квантово-механического описания микросистем, подобно уравнениям Гамильтона в классической механике.
Незадолго до того Вернер
Гейзенберг
, Макс
Борн
и Паскуаль
Иордан
опубликовали другой вариант квантовой теории, получивший название матричной механики, которая описывала квантовые явления с помощью таблиц наблюдаемых величин. Эти таблицы представляют собой определенным образом упорядоченные математические множества, называемые матрицами, над которыми по известным правилам можно производить различные математические операции. Матричная механика также позволяла достичь согласия с наблюдаемыми экспериментальными данными, но в отличие от волновой механики не содержала никаких конкретных ссылок на пространственные координаты или время. Гейзенберг особенно настаивал на отказе от каких-либо простых наглядных представлений или моделей в пользу только таких свойств, которые могли быть определены из эксперимента, так как по его соображениям микромир имеет принципиально иное устройство, чем макромир в виду особой роли постоянной Планка, несущественной в мире больших величин.
Шрёдингер показал, что волновая механика и матричная механика математически эквивалентны. Известные ныне под общим названием квантовой механики, эти две теории дали долгожданную общую основу описания квантовых явлений. Многие физики отдавали предпочтение волновой механике, поскольку её математический аппарат был им более знаком, а её понятия казались более «физическими»; операции же над матрицами – более громоздкими.
Вскоре после того, как Гейзенберг и Шрёдингер разработали квантовую механику, Поль
Дирак
предложил более общую теорию, в которой элементы специальной теории относительности Эйнштейна сочетались с волновым уравнением. Уравнение Дирака применимо к частицам, движущимся с произвольными скоростями. Спин и магнитные свойства электрона следовали из теории Дирака без каких бы то ни было дополнительных предположений. Кроме того, теория Дирака предсказывала существование античастиц, таких, как позитрон и антипротон, – двойников частиц с противоположными по знаку электрическими зарядами.
20. Динамические и статистические законы. Принципы современной физики (симметрии, соответствия, дополнительности и соотношения неопределённостей, суперпозиции)
Динамические и статистические законы
Все физические законы делятся на две большие группы: динамические и статистические.
Динамическими
называют законы
, отражающие объективную закономерность в форме однозначной связи физических величин. Динамическая
теория
— это теория, представляющая совокупность физических законов.
Статистические
законы
— это такие законы, когда любое состояние представляет собой вероятностную характеристику системы. Здесь действуют статистические распределения величин. Это означает, что в статистических теориях состояние определяется не значениями физических величин, а их распределениями. Нахождение средних значений физических величин — главная
задача
статистических
теорий
. Вероятностные характеристики состояния совершенно отличны от характеристик состояния в динамических теориях. Статистические
законы
и теории
являются более совершенной формой описания физических закономерностей
, так как любой известный сегодня процесс в природе более точно описывается статистическими законами, чем динамическими. Различие между ними в одном — в способе описания состояния системы.
Смена динамических теорий статистическими не означает, что старые теории отменены и сданы в архив. Практическая их ценность в определенных границах нисколько не умаляется. При разговоре о смене теорий имеется в виду, в первую очередь, смена глубоких физических представлений более глубокими представлениями о сущности явлений, описание которых дается соответствующими теориями. Одновременно со сменой физических представлений расширяется область применения теории. Статистические теории
расширяются на больший круг явлений, недоступных динамическим теориям.
Принцип симметрии
Принцип симметрии в физике – это свойство физических величин, детально описывающих поведение систем, оставаться неизменными (инвариантными) при определённых преобразованиях, которым могут быть подвергнуты входящие в них величины.
Принципы симметрии связаны с законами сохранения. Виды симметрии:
1. Пространственно-временные (внешние) принципы симметрии.
1.1. Сдвиг времени, т.е. все моменты времени равноправны, т.е. любой можно взять за начало отсчёта времени, т.е. время однородно.
2. Внутренние принципы симметрии.
Описывают свойства элементарных частиц. Отсюда вытекает закон сохранения энергии.
2.1. Сдвиг системы отсчёта, т.е. равноправие всех точек пространства, отсюда вытекает закон сохранения импульса.
2.3. Поворот системы отсчёта, т.е. свойства пространства одинаковы по всем направлениям (пространство изотропно), отсюда вытекает закон сохранения момента импульса.
Также имеет место целый ряд симметрий, действующих в микромире. Они описывают различные аспекты взаимопревращений элементарных частиц и лежат в основе таких законов сохранения, как закон сохранения электрического заряда, барионного и лептонного зарядов и ряда других законов, открытых в последнее время. Таким образом, XX в. подтвердил огромную роль принципа симметрии в физике.
Принцип соответствия
Принцип соответствия был сформулирован Н. Бором в 1923 г., когда физики столкнулись с ситуацией, что рядом со старыми, давно оправдавшими себя теориями (например, с механикой Ньютона), появились новые теории (теория относительности Эйнштейна), описывающие ту же область действительности. Принцип соответствия утверждает преемственность физических теорий, в частности, то, что никакая новая теория не может быть справедливой, если она не содержит в качестве предельного случая старую теорию, относящуюся к тем же явлениям, поскольку старая теория уже оправдала себя в своей области.
Поэтому теории, справедливость которых была экспериментально установлена для определенной группы явлений, с построением новой теории не отбрасываются, но сохраняют свое значение для прежней области явлений как предельное выражение законов новых теорий. Выводы новых теорий в области, где справедлива старая теория, переходят в выводы старых теорий.
Каждая физическая теория как ступень познания является относительной истиной. Смена физических теорий — это процесс приближения к абсолютной истине, процесс, который не будет никогда полностью завершен из-за бесконечной сложности и разнообразия окружающего нас мира. Таким образом, принцип соответствия отражает объективную ценность физических теорий.
Принцип дополнительности и соотношения неопределённостей
Принцип дополнительности является основополагающим в современной физике. Он был сформулирован в 1927 г. Н. Бором для объяснения феномена корпускулярно-волнового дуализма.
Прежде всего, Бор обратил внимание на то, что все предметы и явления, которые мы видим вокруг себя, и, конечно, измерительные приборы для регистрации элементарных частиц состоят из огромного множества микрочастиц. Иными словами, они являются макроскопическими системами, ничем иным они быть не могут. Сам человек — существо макроскопическое. Поэтому наши органы чувств не воспринимают микропроцессов. Понятия, которыми мы пользуемся для описания предметов и явлений окружающего мира, — это макроскопические понятия. С их помощью можно легко описать любые физические процессы, проходящие в макромире. Вместе с тем применить эти понятия для описания микрообъектов полностью нельзя, так как они неадекватны процессам микромира.
Но других понятий у нас нет и быть не может. Поэтому, чтобы компенсировать неадекватность нашего восприятия и представлений об объектах микромира, нам приходится применять два дополняющих друг друга набора понятий, хотя с точки зрения классической науки они взаимно исключают друг друга, — это понятия частицы и волны. Только в совокупности они дают исчерпывающую информацию о квантовых явлениях. Частным выражением принципа дополнительности является соотношение неопределенностей, сформулированное В. Гейзенбергом в 1927 г. Этот принцип наглядно иллюстрирует отличие квантовой теории от классической механики. Если в классической механике мы допускаем, что можно абсолютно точно знать координаты, импульс и энергию частицы в любой момент времени, то в квантовой механике это невозможно. В соответствии с принципом неопределенности, чем точнее фиксирован импульс, тем большая неопределенность будет содержаться в значении координаты, и наоборот. Также соотносятся энергия и время. Точность измерения энергии обратно пропорциональна длительности процесса измерения. Причина этого — во взаимодействии прибора с объектом измерения.
Принцип суперпозиции
Принцип суперпозиции (наложения) — это допущение, согласно которому результирующий эффект представляет собой сумму эффектов, вызываемых каждым воздействующим явлением в отдельности. Одним из простых примеров принципа суперпозиции является правило параллелограмма, в соответствии с которым складываются две силы, воздействующие на тело. Этот принцип выполняется при условии, когда воздействующие явления не влияют друг на друга. Поэтому в ньютоновской физике он неуниверсален и во многих случаях справедлив лишь приближенно. В микромире, наоборот, принцип суперпозиции — фундаментальный принцип, который наряду с принципом неопределенности составляет основу математического аппарата квантовой механики. Но, к сожалению, в квантовой теории принцип суперпозиции лишен той наглядности, которая характерна для механики Ньютона. Его интерпретируют так: пока не проведено измерение, бессмысленно спрашивать, в каком состоянии находится физическая система. Иными словами, до измерения система находится в суперпозиции двух возможных состояний, т.е. ее состояние неопределенно. Акт измерения переводит физическую систему скачком в одно из возможных состояний.
21. Космологические модели Вселенной (от геоцентризма, гелиоцентризма к модели Большого взрыва и расширяющейся Вселенной)
Космология (космогония)
– область науки, изучающая происхождение и развитие вселенной.
1. Геоцентризм.
Космология Аристотеля — геоцентрическая система мира: Земля, имеющая форму шара, неподвижно пребывает в центре Вселенной.
2. Гелиоцентризм.
Николай Коперник (первая научная революция) стал автором гелиоцентрического учения, согласно которому центром Вселенной является Солнце, вокруг которого по своим орбитам движутся планеты, в том числе и Земля. Совершая обращение вокруг Солнца, Земля одновременно вращается и вокруг собственной оси, чем и объясняется смена дня и ночи.
3. Теория стационарного состояния Вселенной.
Основные постулаты:
• Вселенная — это все существующее, «мир в целом». Космология познает мир таким, каким он существует сам по себе, безотносительно к условиям познания.
• Пространство и время Вселенной абсолютны, они не зависят от материальных объектов и процессов.
• Пространство и время метрически бесконечны.
• Пространство и время однородны и изотропны.
• Вселенная стационарна, не претерпевает эволюции. Изменяться могут конкретные космические системы, но не мир в целом.
4. Релятивистская модель Вселенной.
Новая модель Вселенной была создана в 1917 г. А. Эйнштейном. Ее основу составила релятивистская теория тяготения — общая теория относительности. Эйнштейн отказался от постулатов абсолютности и бесконечности пространства и времени, однако сохранил принцип стационарности, неизменности Вселенной во времени и ее конечности в пространстве. Свойства Вселенной, по мнению Эйнштейна, определяются распределением в ней гравитационных масс, Вселенная безгранична, но при этом замкнута в пространстве. Согласно этой модели, пространство однородно и изотропно, т.е. во всех направлениях имеет одинаковые свойства, материя распределена в нем равномерно, время бесконечно, а его течение не влияет на свойства Вселенной. На основании проведенных расчетов Эйнштейн сделал вывод, что мировое пространство представляет собой четырехмерную сферу.
При этом не следует представлять себе данную модель Вселенной в виде обычной сферы. Сферическое пространство есть сфера, но сфера четырехмерная, не поддающаяся наглядному представлению. По аналогии можно сделать вывод, что объем такого пространства конечен, как конечна поверхность любого шара, ее можно выразить конечным числом квадратных сантиметров. Поверхность всякой четырехмерной сферы также выражается конечным числом кубометров. Такое сферическое пространство не имеет границ, и в этом смысле оно безгранично. Летя в таком пространстве в одном направлении, мы в конце концов вернемся в исходную точку. Но в то же время муха, ползущая по поверхности шара, нигде не найдет границ и преград, запрещающих ей двигаться в любом избранном направлении. В этом смысле поверхность любого шара безгранична, хотя и конечна, т.е. безграничность и бесконечность — это разные понятия.
Итак, из расчетов Эйнштейна следовало, что наш мир является четырехмерной сферой. Объем такой Вселенной может быть выражен хотя и очень большим, но все же конечным числом кубометров. В принципе можно облететь всю замкнутую Вселенную, двигаясь все время в одном направлении. Такое воображаемое путешествие подобно земным кругосветным путешествиям. Но конечная по объему Вселенная в то же время безгранична, как не имеет границ поверхность любой сферы. Вселенная Эйнштейна содержит хотя и большое, но все же конечное число звезд и звездных систем, а поэтому к ней неприменимы фотометрический и гравитационный парадоксы. В то же время призрак тепловой смерти тяготеет и над Вселенной Эйнштейна. Такая Вселенная, конечная в пространстве, неизбежно идет к своему концу во времени. Вечность ей не присуща.
Таким образом, несмотря на новизну и даже революционность идей, Эйнштейн в своей космологической теории ориентировался на привычную классическую мировоззренческую установку статичности мира. Его более привлекал гармоничный и устойчивый мир, нежели мир противоречивый и неустойчивый.
5. Модель Большого взрыва.
Представление о развитии Вселенной закономерно привело постановке проблемы начала эволюции (рождения) Вселенной и ее конца (смерти). В настоящее время существует несколько космологических моделей, объясняющих отдельные аспекты возникновения материи во Вселенной, но они не объясняют причин и процесса рождения самой Вселенной. Из всей совокупности современных космологических теорий только теория Большого взрыва Г. Гамова смогла к настоящему времени удовлетворительно объяснить почти все факты, связанные с этой проблемой. Основные черты модели Большого взрыва сохранились до сих пор, хотя и были позже дополнены теорией инфляции, или теорией раздувающейся Вселенной, разработанной американскими учеными А. Гутом и П. Стейнхардтом и дополненной советским физиком А.Д. Линде.
В 1948 г. выдающийся американский физик русского происхождения Г. Гамов выдвинул предположение, что физическая Вселенная образовалась в результате гигантского взрыва, происшедшего примерно 15 млрд. лет тому назад. Тогда все вещество и вся энергия Вселенной были сконцентрированы в одном крохотном сверхплотном сгустке. Если верить математическим расчетам, то в начале расширения радиус Вселенной был и вовсе равен нулю, а ее плотность равна бесконечности. Это начальное состояние называется сингулярностью — точечный объем с бесконечной плотностью. Известные законы физики в сингулярности не работают. В этом состоянии теряют смысл понятия пространства и времени, поэтому бессмысленно спрашивать, где находилась эта точка. Также современная наука ничего не может сказать о причинах появления такого состояния.
Тем не менее, согласно принципу неопределенности Гейзенберга вещество невозможно стянуть в одну точку, поэтому считается, что Вселенная в начальном состоянии имела определенную плотность и размеры. По некоторым подсчетам, если все вещество наблюдаемой Вселенной, которое оценивается примерно в 1061 г, сжать до плотности 1094 г/см3, то оно займет объем около 10-33 см3. Ни в какой электронный микроскоп разглядеть ее было бы невозможно. Долгое время ничего нельзя было сказать о причинах Большого взрыва и переходе Вселенной к расширению. Но сегодня появились некоторые гипотезы, пытающиеся объяснить эти процессы. Они лежат в основе инфляционной модели развития Вселенной.
6. Модель расширяющейся Вселенной.
Модель Вселенной Эйнштейна стала первой космологической моделью, базирующейся на выводах общей теории относительности. Это связано с тем, что именно тяготение определяет взаимодействие масс на больших расстояниях. Поэтому теоретическим ядром современной космологии выступает теория тяготения — общая теория относительности.
В 1922 г., советский физик и математик А. Фридман на основе строгих расчетов показал, что Вселенная Эйнштейна не может быть стационарной, неизменной. При этом Фридман опирался на сформулированный им космологический принцип, который строится на двух предположениях: об изотропности и однородности Вселенной. Изотропность Вселенной понимается как отсутствие выделенных направлений, одинаковость Вселенной по всем направлениям. Однородность Вселенной понимается как одинаковость всех точек Вселенной: мы можем проводить наблюдения в любой из них и везде увидим изотропную Вселенную.
Фридман на основе космологического принципа доказал, что уравнения Эйнштейна имеют и другие, нестационарные решения, согласно которым Вселенная может либо расширяться, либо сжиматься. При этом речь шла о расширении самого пространства, т.е. об увеличении всех расстояний мира. Вселенная Фридмана напоминала раздувающийся мыльный пузырь, у которого и радиус, и площадь поверхности непрерывно увеличиваются.
Первоначально модель расширяющейся Вселенной носила гипотетический характер и не имела эмпирического подтверждения. Однако в 1929 г. американский астроном Э. Хаббл обнаружил эффект «красного смещения» спектральных линий (смещение линий к красному концу спектра). Это было истолковано как следствие эффекта Доплера — изменение частоты колебаний или длины волн из-за движения источника волн и наблюдателя по отношению друг к другу. «Красное смещение» было объяснено как следствие удаления галактик друг от друга со скоростью, возрастающей с расстоянием. Согласно последним измерениям увеличение скорости расширения составляет примерно 55 км/с на каждый миллион парсек.
В результате своих наблюдений Хаббл обосновал представление, что Вселенная — это мир галактик, что наша Галактика — не единственная в ней, что существует множество галактик, разделенных между собой огромными расстояниями. Вместе с тем Хаббл пришел к выводу, что межгалактические расстояния не остаются постоянными, а увеличиваются.
22. Внутреннее строение Земли. Геологическая шкала времени
Строение Земли
Все земные оболочки взаимосвязаны и проникают друг в друга. Гидросфера всегда присутствует в литосфере и атмосфере, атмосфера — в литосфере и гидросфере и т.д. С атмосферой, гидросферой и литосферой тесно связаны внутренние оболочки Земли. Кроме того, во всех оболочках, кроме мантии и ядра, присутствует биосфера.
Ядро Земли
Ядро занимает центральную область нашей планеты. Это самая глубокая геосфера. Средний радиус ядра составляет около 3500 км, располагается оно глубже 2900 км. Ядро состоит из двух частей — большого внешнего и малого внутреннего ядер.
Внутреннее ядро.
Природа внутреннего ядра Земли начиная с глубины 5000 км остается загадкой. Это шар диаметром 2200 км, который, как полагают ученые, состоит из железа (80%) и никеля (20%). Соответствующий сплав при существующем давлении внутри земных недр имеет температуру плавления порядка 4500° С.
Внешнее ядро. Судя по геофизическим данным, внешнее ядро представляет собой жидкость — расплавленное железо с примесью никеля и серы. Это связано с тем, что давление в этом слое меньше. Внешнее ядро
представляет собой шаровой слой толщиной 2900—5000 км. Чтобы внутреннее ядро оставалось твердым, а внешнее — жидким, температура в центре Земли не должна превышать 4500° С, но и не быть ниже 3200° С.
С жидким состоянием внешнего ядра связывают представления о природе земного магнетизма. Магнитное поле Земли изменчиво, из года в год меняется положение магнитных полюсов. Палеомагнитные исследования показали, что, например, на протяжении последних 80 млн. лет имело место не только изменение напряженности поля, но и многократное систематические перемагничивание, в результате которого Северный и Южный магнитные полюса Земли менялись местами. В периоды смены полярности наступали моменты полного исчезновения магнитного поля. Следовательно, земной магнетизм не может создаваться постоянным магнитом за счет стационарной намагниченности ядра или какой-либо его части. Предполагается, что магнитное поле создается процессом, названным эффектом динамо-машины с самовозбуждением. Роль ротора (подвижного элемента), или динамо, может играть масса жидкого ядра, перемещающаяся при вращении Земли вокруг своей оси, а система возбуждения образуется токами, создающими замкнутые петли внутри сферы ядра.
Мантия
Мантия Земли,
расположенная от подошвы земной коры вплоть до поверхности ядра, находящегося на глубине 2900 км, главным образом состоит из окислов кремния, магния и железа. Вещество мантии находится в жидком состоянии, но вязкость его очень высока. Для всей мантии характерны интенсивные конвективные движения, обуславливающие смещения литосферных плит и приводящие к извержению на поверхность Земли высокотемпературных (ок. 1300 С) лав — мантийного вещества.
Литосфера и астеносфера
Ближайшие к поверхности Земли слои мантии — это лито -
и астеносфера.
Литосфера состоит из плит, которые при отсутствии внешних воздействий длительное время сохраняют свою форму. Как правило, располагающееся под литосферными плитами вещество астеносферы частично размягчено и под давлением деформируется, течет.
Деформируемость астеносферы допускает скольжение по ней литосферных плит. Перемещения литосферных плит, крупнейшие из которых Тихоокеанская, Северо-Американская, Южно-Американская, Африканская, Евразиатская, Индо-Австралийская и Антарктическая, составляют единицы сантиметров (ок. 3 см) в год, однако за миллионы лет им удавалось преодолевать пути в тысячи километров. Соприкасаясь, литосферные плиты взаимодействуют друг с другом и приходят во вращение. Существуют весьма тщательно разработанные глобальные кинематические модели современного относительного движения литосферных плит. Мощность (толщина) литосферных плит составляет от 2 до 100 км.
Гидросфера
Гидросфера
состоит из вод океанов, морей, озер, рек, подземных источников и материковых льдов, а также воды, содержащейся в связанном состоянии в гидросиликатах. Большая часть гидросферы (ок. 63%) сосредоточена в Мировом океане. На пресные воды суши приходится не более 0,05% всех вод, сосредоточенных в верхних геосферах Земли (21,73 • 1020
кг). Средняя глубина океанов 3711 м, а наибольшая 11022 м (Марианский желоб в Тихом океане). Средняя годовая температура поверхности вод океанов 17,5 °С. Мировой океан занимает 70,8% земной поверхности. В океанической воде растворены едва ли не все элементы таблицы Менделеева, преобладают хлор (19,35%) и натрий (10,76%).
Земная кора
Внешняя оболочка Земли, толщиной менее 10 км под океанами, но более 25 км под материками. Образуется за счет движения литосферных плит, разрушения и выветривания горных пород и осадконакоплений. Океаническая кора состоит в основном из базальтов — пород вулканического происхождения, в которых преобладают полевой шпат и пироксен. Континентальная кора сложена главным образом из гранитов и магматических пород, содержащих преимущественно кварц, кальциевый полевой шпат, кислый плагиоклаз и слюду. Плотность океанической коры больше, чем плотность континентальной коры. Максимальная контрастность рельефа определяется тектонической активностью Земли и достигает 16—17 км. Со временем неровности рельефа уменьшаются, «растекаются» вследствие действия на земную кору гравитационных сил. По этой причине перепады высот в таких древних горных поясах, как, например, Уральские горы, не превышают 2 км.
Атмосфера
Газовая (воздушная) оболочка Земли, распространяющаяся до высот более 100 км. Атмосфера вращается вместе с Землёй. У поверхности Земли современная атмосфера состоит в основном из азота (78,1%) и кислорода (21%). Давление и плотность воздуха с высотой убывают. В высоте 20-25 км находится слой озона, предохраняющий живые организмы на Земле от вредного для них коротковолнового излучения.
В атмосфере часто выделяют пять слоев: тропосфера (достигает на экваторе толщины 16—18 км), стратосфера (доходит до 55 км), мезосфера (достигает высоты 80 км, у верхней границы температура 80-90 С), ионосфера (расположена до высоты 800 км оказывает значительное влияние на распространение радиоволн), экзосфера (простирается от ионосферы до 2000—3000 км, эффективная температура порядка 2000 °С).
Магнитосфера
Магнитосфера
Земли простирается на десятки и даже сотни тысяч километров. Состояние магнитосферы определяется взаимодействием магнитного поля Земли с потоками космических, особенно высокоэнергетических, частиц. Конфигурация силовых линий магнитного поля Земли такова, что движущиеся по ним частицы попадают в так называемые ловушки, курсируя от Северного полушария в Южное и обратно. Магнитные ловушки подобно озоновому слою защищают живые организмы Земли от вредных для них излучений. К сожалению, техническая деятельность человечества разрушает не только озоновый слой, но и магнитные ловушки. Проблемы с озоновым слоем стали предельно актуальными уже в наши дни. Проблемы с магнитными ловушками ожидают человечество в будущем, возможно весьма недалеком.
Геологическая шкала времени
Интервалы геологического времени (начала периодов и эпох в миллионах лет от настоящего времени).
| Эон | Эра | Период | Эпоха | Время |
| Фанерозойский | Кайнозойская | Четвертичный | Голоценовая | 0,01 |
| Плейстоценовая | 1,6 | |||
| Третичный | Плиоценовая | 5,3 | ||
| Миоценовая | 23,7 | |||
| Олигоценовая | 36,6 | |||
| Эоценовая | 57,8 | |||
| Палеоценовая | 66,4 | |||
| Мезозойская | Меловой | 144 | ||
| Юрский | 208 | |||
| Триасовый | 245 | |||
| Палеозойская | Пермский | 286 | ||
| Каменноугольный | 360 | |||
| Девонский | 408 | |||
| Силурийский | 438 | |||
| Ордовикский | 505 | |||
| Кембрийский | 570 | |||
| Протерозойский | 2500 | |||
| Архейский | 3400+ |
В названиях эонов и эр присутствует корень «зой» (от греч. zoe — жизнь), сопровождаемый приставками к нему фанеро — (от греч. phaneros — явный), протеро (от греч. proteros — более ранний, первый из двух), кайно (от греч. kainos — новый), мезо (от греч. mesos — средний), палео (от греч. palaios — древний). В названиях геологических эпох присутствует корень «цен». Приставки к корню «цен» характеризуют степень наличия так называемых новых (современных) организмов. Так, выражения «голоцен» и «миоцен» означают соответственно «все новые организмы» (от греч. holos — весь) и «среднее количество новых организмов» (от греч. mios — средний). В названиях геологических периодов от ранней их классификации сохранились только два выражения: третичный и четвертичный (термины первичный и вторичный периоды больше не используются). Часть названий геологических периодов связаны либо с местностями, либо с характером вещественных отложений. Так, девонский период характеризует возраст отложений, впервые изученных в графстве Девоншир в Англии. Меловой период характеризует возрастные особенности геологических отложений, содержащих много мела.
23. История развития концепций геосферных оболочек Земли. Экологические функции литосферы
Рассмотрим в свете неклассической концепции глобальной эволюции Земли истории основных геосферных оболочек.
История ядра Земли.
Формирование ядра Земли началось примерно 4,6 • 109
лет назад (здесь и в дальнейшем в данном разделе отсчет времени ведется по направлению от прошлого к современности). Соответствующие расчеты показывают, что оно особенно интенсивным было в период 3—2,6 • 109
лет тому назад. После 2,6 млрд. лет наращивание массы земного ядра начало резко, а потом плавно убывать. В наши дни масса ядра увеличивается, согласно расчетам, на 130 млрд. т в год. «Металлическое железо» покинуло мантию Земли примерно 500 млн. лет тому назад, оставшийся в ней магнетит (Fе3
O4
) распадается: 2Fе3
O4
=> 3FеО + 5O, при этом FеО переходит во внешнее ядро Земли. Остывание Земли приведет к частичному или полному затвердеванию как ее мантии, так и ядра. Дальнейшая судьба нашей планеты будет зависеть в первую очередь от Солнца — перехода его в состояние белого карлика, что будет сопровождаться гигантским выбросом излучения, которое «опалит» Землю.
Из всех геосферных оболочек наибольшие шансы уцелеть в «солнечной парилке» имеет как раз земное ядро. Оно, надо полагать, разогреется, затем вновь остынет и станет космическим путешественником, который либо под действием излучения будет медленно рассеиваться, либо, по случаю, угодит «в топку» неведомой нам звезды.
История мантии
Земли
.
По своему вещественному составу мантия планеты наиболее близка к составу первичного вещества Земли. Тем не менее, именно в ней процессы химико-плотностной дифференциации идут наиболее энергично: на протяжении 4 млрд. лет она проходит все новые стадии своего вещественного обеднения. Тяжелое вещество уходит к центру планеты — в ее ядро. Легкие элементы перемещаются в лито-, атмо- и гидросферу. Из мантии Земли полностью исчезли FeS, Fе, Ni, по сравнению с составом первичной Земли она существенно обеднела легкими веществами (К2
O, Na2
O, N2
, Н2
и др.). Вместе с тем происходящая в мантии химико-плотностная дифференциация приводит к росту в процентном содержании окислов кремния (SiO2
) и магния (MgO). В сумме эти два окисла составляют около 83% состава современной мантии (против 57% в составе первичного вещества Земли).
Современная мантия вся охвачена мощными конвективными движениями, за счет которых тепловая энергия ядра и мантии передается другим геосферным оболочкам. Теплопотери Земли неминуемо приведут к ее остыванию и переходу мантии в твердое, литосферное состояние. Переход Солнца в состояние белого карлика, видимо, будет связан с испарением значительной части литосферы, которая к тому времени будет составлять в фазовом отношении единое целое с затвердевшей мантией планеты.
История литосферы.
Литосфера образуется в процессе остывания и кристаллизации частично расплавленного вещества мантии Земли. Ее часто называют «силикатным льдом». Имеется в виду, что литосфера, состоящая в основном из силикатов, т.е. солей кремниевых кислот, содержащих SiO4
, формируется подобно образованию льда при замерзании воды. Ее формирование началось 4-3,5 млрд. лет тому назад. Около 2 млрд. лет ушло на формирование суперконтинента Пангеи. Последующая тектоническая деятельность Земли приводит к раскалыванию Пангеи и образованию новых суперконтинентов.
Современная история литосферы связана, прежде всего, с тектоникой океанических плит. При раздвижении литосферы вещество астеносферы внедряется в разломы рифтовых зон и, охлаждаясь, образует молодую океаническую литосферу. Океаническая кора способна надвигаться на концы континентальных плит, в результате чего образуются складчатые структуры. Обломки океанических литосферных плит, увлекаясь мантийными потоками, опускаются вплоть до ядра Земли, перемешиваются с другим мантийным веществом и вновь поднимаются на поверхность. Так осуществляются циклы тектонической деятельности Земли. В далеком будущем непременно произойдет их замедление вплоть до полной остановки.
История гидросферы.
Молодая Земля была лишена гидросферы. Последняя появилась благодаря дегазации Земли, инициируемой изливавшимися на ее изначальную поверхность мантийными расплавами, которые, попав в условия с минимальным давлением, вскипали (как известно, температура кипения тем ниже, чем меньше давление) и выделяли летучие вещества, в том числе пары воды. Чем сильнее нарастали конвективные явления в мантии, тем чаще и в большей массе извергались на поверхность Земли потоки магмы, тем больше становился объем первоначально неглубокого океана. Из-за поглощения части воды океанической, а также континентальной корой глубина океана увеличивалась медленно. И лишь после полного насыщения водой серпентинитового слоя океанической коры, а произошло это около 2,2 млрд. лет назад, дно океана стало быстро опускаться (до средней глубины современного океана).
Наибольший приток воды происходил в период охвата конвективными движениями всей мантии Земли, т.е. около 2,6 млрд. лет назад. Приток воды в Мировой океан имеет место и в наши дни, он будет продолжаться и в дальнейшем. Ослабление тектонической активности Земли, остывание ее мантии, образование в этой связи особо глубоких океанических впадин и поглощение части воды глубоко залегающими осадочными породами океанической литосферы приведет к тому, что будут вновь видны срединноокеанические хребты. Превращение Солнца в белый карлик приведет через 5 млрд. лет к такому могучему потоку излучения, что он испарит весь Мировой океан. Возникшему однажды, ему не суждено существовать вечно.
История атмосферы.
Согласно неклассической концепции глобальной эволюции Земли, история атмосферы связана с дегазацией планеты отнюдь не меньше, чем история гидросферы. Полагают, однако, что уже на ранних этапах своей эволюции (4,7—4 млрд. лет назад) Земля, еще не приобретя гидросферы, уже обладала атмосферой, но крайне разряженной. Она, видимо, состояла главным образом из летучих соединений, которые распространены в космосе, т.е. Н2
, Не, N2
, СН4
, NH3
, Н2
O, СO2
, СО. Рождение плотной атмосферы оказалось связанным с выделением тех летучих соединений, которые попали на Землю в связанном состоянии: вода — с гидросиликатами, азот — с нитридами и нитратами, углекислый газ — с карбонатами и т.д. Подлинным динамическим источником атмосферы Земли оказалась ее начавшаяся активная дегазация (4 млрд. лет назад). Около 3 млрд. лет назад Земля была окутана плотной, состоящей в основном из азота (N2
) и углекислого газа (СO2
) атмосферой с давлением до 4 атм. Последующая история Земли связана в основном со своеобразной «заменой» углекислого газа на кислород.
Экологические функции литосферы
Обычно выделяют четыре экологические функции литосферы: ресурсную, геодинамическую, физическую и химическую.
Ресурсная функция литосферы
определяет роль ресурсов, содержащихся в литосфере, а также факторов пространственного характера для жизни биоты и человека. Известно, что литосфера содержит различные материальные ресурсы, большинство из которых активно используются человеком. Именно в этой связи наблюдается значительная ресурсная напряженность, которая не убывает, а нарастает год от года.
Весьма тревожная ситуация сложилась с энергетическими ресурсами. Согласно популярным оценкам, газ и нефть перспективны не более чем на 50 лет, уголь приблизительно на 150 лет. До настоящего времени нет четких представлений о тех энергетических ресурсах, которые человечество намерено использовать, допустим, через 50 лет. Атомная энергетика опасна, трудноразрешимой представляется проблема реактивации отходов ядерной промышленности: во всей литосфере пока не обнаружено такого укромного местечка, где можно было бы спрятать радиоактивные вещества в безопасном для биоты состоянии. Не разработаны пути использования в удовлетворяющем человечество количестве солнечной и ветряной энергии (для размещения солнечных батарей и ветряных электростанций требуется много места, а коэффициент полезного действия их все ещё недостаточно высок).
Крайнюю озабоченность вызывает ситуация с запасами полиметаллических руд, содержащих никель, кобальт, вольфрам, молибден, медь, свинец, цинк, олово. Считается, что они будут исчерпаны в ближайшие 60 лет; лишь несколько лучше обстоят дела с железными, марганцевыми и хромовыми рудами.
Человечество пока намного более успешно разрушает, чем восстанавливает литосферу. С большим трудом осознается, что объектом экологической заботы является такой грандиозный экологический объект, как литосфера.
Человечество стало мощной литосферной силой и рельефообразующим фактором. К увеличению сейсмичности приводит интенсивная добыча газа и нефти, закачка воды глубоко под землю, рытье карьеров и котлованов, заполнение водой котловин; оседают плотины электростанций, крупные города типа Токио и Москвы. Глубина депрессий поверхности Земли достигает сотен километров. Человечеству становится тесно на поверхности планеты, а потому оно обращается к подземному геологическому пространству. В этой связи требуется очень точная геоэкологическая оценка.
Геодинамическая функция литосферы
связана с масштабными природными и антропогенными процессами, влияющими на жизнь биоты и человека. Речь идет об аномалиях и напряженных состояниях горных массивов, участках повышенной трещиноватости и проницаемости, регионах, опасных в сейсмическом отношении или охваченных деятельностью вулканов. Важнейшее значение приобретает в этой связи прогноз развития катастрофических геологических процессов, эколого-геологическое обоснование возможной инженерной защиты территорий и осуществление этой защиты.
Геохимическая функция литосферы
касается в основном тех геохимических неоднородностей, которые представляют опасность для биоты, в том числе человека. Речь идет прежде всего о химическом загрязнении, привнесении в литосферу различных токсикатов (тяжелых металлов, пестицидов, пластмасс, детергентов). Многие химические вещества обладают канцерогенными и мутагенными свойствами. Опасные для жизни человека химические вещества в земной коре находятся в связанном состоянии. Будучи извлеченными из недр Земли, они возвращаются сначала на поверхность планеты, а затем и в глубь нее уже в виде, представляющем большую опасность для человека. Таковы, например, тяжелые металлы — свинец, цинк, ртуть, медь, никель, железо, кадмий и др. Основными же источниками тяжелых металлов являются промышленные предприятия и атомные и тепловые электростанции. Сначала тяжелые металлы попадают в атмосферу, но затем с осадками выпадают на поверхность Земли.
Геофизическая функция
литосферы реализуется посредством физических факторов, радиации, шумовых и тепловых эффектов. На поверхности Земли постоянно наблюдается естественный радиационный фон, который с медицинской точки зрения, как правило, не является вредным. Однако есть такие регионы, например, в Индии и Бразилии, где этот фон превышает нормальный в 100 и даже 1000 раз.
*Биота
– это исторически сложившаяся совокупность живых организмов, обитающая на какой-либо крупной территории.
24. Система современной химии. Двуединая проблема химии. Уровни химических знаний (учение о составе химических веществ, учение о структуре химических соединений, учение о химических процессах, эволюционная химия)
Химия
– это наука о химических элементах и их соединениях.
Основанием химии, по Менделееву, выступает основная двуединая проблема
— получение веществ с заданными свойствами (на достижение ее направлена производственная деятельность человека) и выявление способов управления свойствами вещества (на реализацию этой задачи направлена научно-исследовательская работа ученых).
Основная двуединая проблема химии является системообразующим началом данной науки. Она возникла в глубокой древности и не потеряла своей актуальности в наши дни. Естественно, что в разные исторические эпохи данная задача решалась по-разному, так как способы ее решения зависят от уровня материальной и духовной культуры общества, а также внутренних закономерностей, присущих ходу научного познания. Достаточно сказать, что изготовление таких материалов, как, например, стекло и керамика, краски и душистые вещества, в древности осуществлялось совершенно иначе, чем в XVIII в. и позже.
Важнейшей особенностью основной проблемы химии является то, что она имеет всего четыре способа решения. Речь при этом идет не о частных методах изучения превращений веществ — их множество, а о самых общих способах решения вопроса: от чего, от каких факторов зависят свойства веществ. А зависят они от четырех факторов:
1) от элементного и молекулярного состава вещества;
2) от структуры молекул вещества;
3) от термодинамических и кинетических (наличие катализаторов и ингибиторов, воздействие материала стенок сосудов и т.д.) условий, в которых вещество находится в процессе химической реакции;
4) от высоты химической организации вещества.
Поскольку способы решения основной проблемы химии появлялись последовательно, то в истории химии можно выделить четыре последовательно сменявших друг друга этапа. В то же время с каждым из названных способов решения основной проблемы химии связана собственная концептуальная система знаний. Эти четыре концептуальных системы знания находятся в отношениях иерархии (субординации). В системе химии они являются подсистемами, так же как сама химия представляет собой подсистему естествознания в целом. Концептуальные системы химии можно представить наглядно в виде схемы:
1. Учение о составе вещества | 1660 г. |
| 2. Структурная химия | 1800 г. |
| 3. Учение о химических процессах | 1950 г. |
| 4. Эволюционная химия | 1970-е – н.в. |
Основной производственной задачей химии является получение вещества с заданными свойствами. Это осуществляется:
- на первом уровне, с учётом изменения состава;
- на втором уровне, с учётом изменения состава и структуры;
- на третьем уровне, с учётом условий, при которых протекает химический процесс, а также состава и структуры;
- на четвёртом уровне, с учётом самоорганизации реакторной системы.
25. Основные законы химии. Химические процессы и реакционная способность веществ
Основные законы химии
Химические процессы подчиняются всеобщим законам природы — закону сохранения массы вещества и закону сохранения энергии, а также ряду специфических для химии законов, которыми управляются все химические реакции.
Закон сохранения массы вещества установили М.В. Ломоносов (1756 г.) и А.Л. Лавуазье (1789 г.) почти независимо друг от друга. Они далеко продвинули развитие химии тем, что при химических реакциях применили физические методы, в частности, взвешивание.
Закон сохранения массы в химических процессах
можно сформулировать так:
масса веществ, вступающих в химическую реакцию, равна массе веществ, образующихся в результате реакции.
Закон сохранения массы веществ М.В. Ломоносов связывал с законом сохранения энергии. Он рассматривал эти законы в единстве. Взгляды Ломоносова подтверждены современной наукой. Закон сохранения энергии действует во всех случаях и повсюду, где одна форма энергии переходит в другую.
Закон сохранения энергии:
количество тепловой энергии, принесённой в зону взаимодействия веществ равно количеству энергии, вынесенной веществами из этой зоны.
К специфическим законам химии относятся такие законы, как закон постоянства состава
(Ж. Пруст, 1808 г.), закон постоянных весовых отношений
(Дж. Дальтон, 1800 г.), закон простых объемных отношений для газов
(Ж.Л. Гей-Люссак, 1808 г.) и в качестве его развития — закон А. Авогадро
(1811 г.). Данными законами руководствуются ученые-химики и практики для проведения химических расчетов.
Атомно-молекулярное учение.
Молекула
– это наименьшая частица данного вещества. Атом
– это наименьшая частица химического элемента.
В результате химической реакции молекула изменяется, а атом – нет.
Периодический закон Д.И. Менделеева (1869 г.):
Свойства простых тел, а также форма и свойства соединения элементов находятся в периодической зависимости от атомных весов элементов (от заряда ядер их атомов).
Химические процессы и реакционная способность веществ
Число известных в природе и технике химических процессов очень велико. Одни из них, например, окисление бронзы на воздухе, протекают веками, другие — горение бензина — очень быстро. Разложение же взрывчатых веществ происходит в миллионные доли секунды. При промышленном производстве химических продуктов очень важно знать закономерности протекания реакций во времени, т. е. зависимость их скорости и выхода продукта от температуры, давления, концентрации реагентов и примесей.
Изучением скорости и особенностей протекания химических реакций занимается химическая кинетика. Основополагающим для химической кинетики является представление о том, что исходные вещества, вступающие в химическую реакцию, чрезвычайно редко непосредственно превращаются в ее продукты. В большинстве случаев реакция проходит ряд последовательных и параллельных стадий, на которых образуются и расходуются промежуточные вещества. Число последовательных стадий может быть очень велико — в цепных реакциях их десятки и сотни тысяч. Время жизни промежуточных веществ весьма разнообразно: одни вполне стабильны, другие существуют в равновесном состоянии доли секунды. Изучение скорости протекания химических процессов показало, что химические реакции протекают тем быстрее, чем выше температура, давление и концентрация реагентов.
На скорость некоторых химических реакций можно влиять присутствием небольшого количества определенных веществ, которые сами в реакции участия не принимают. Вещества эти называются катализаторами. Катализаторы бывают положительными, ускоряющими реакцию, и отрицательными — замедляющими ее. Каталитическое ускорение химической реакции называется катализом и является приемом современной химической технологии (производство полимерных материалов, синтетического топлива и др.). Считается, что удельный вес каталитических процессов в химической промышленности достигает 80%. Благодаря катализу существенно повысилась эффективность экономики химической промышленности, поскольку ускорение химических реакций заметно влияет на снижение издержек производства.
26. Биология в современном естествознании. Характеристика «образов» биологии (традиционная, физико-химическая, эволюционная)
Биология
- это наука о живом, его строении, формах его активности, его строении, сообществах живых организмов, их распространении развитии, связях между собой и средой обитания.
Современная биологическая наука - результат длительного процесса развития. Но только в первых древних цивилизованных обществах люди стали изучать живые организмы более тщательно, составлять перечни, животных и растений, населяющих разные регионы и классифицировать их. Одним из первых биологов древности был Аристотель.
В настоящее время биология представляет собой целый комплекс наук о живой природе. Структуру его можно рассматривать с разных точек зрения.
По объектам исследования
биология подразделяется на вирусологию, бактериологию, ботанику, зоологию и антропологию.
По свойствам проявления живого
в биологии выделяются:
1) морфология
- наука о строении живых организмов;
2) физиология
- наука о функционировании организмов;
3) молекулярная
биология
изучает микроструктуру живых тканей и клеток;
4) экология
рассматривает образ жизни растений и животных и их взаимосвязи с окружающей средой;
5) генетика
исследует законы наследственности и изменчивости.
По уровню организации исследуемых живых объектов выделяются:
1) анатомия
изучает макроскопическое строение животных;
2) гистология
изучает строение тканей;
3) цитология
исследует строение живых клеток.
Эта многоплановость комплекса биологических наук обусловлена чрезвычайным многообразием живого мира. К настоящему времени биологами обнаружено и описано более 1 млн. видов животных, около 500 тыс. растений, несколько сот тысяч видов грибов, более 3 тыс. видов бактерий.
Причем мир живой природы исследован далеко не полностью Число неописанных видов оценивается по меньшей мере в 1 млн.
Исходной и главной категорией в биологии является категория «живого».
В развитии биологии выделяют три основных этапа:
1) систематики
(К. Линней);
2) эволюционный
(Ч. Дарвин);
3) биологии
микромира
(Г. Мендель).
Каждый из них связан с изменением представлений о мире живого и самих основ биологического мышления.
Три «образа» биологии
1.
Традиционная, или натуралистская биология
Объектом изучения традиционной биологии всегда была и остается живая природа в ее естественном состоянии и нерасчлененной целостности.
Традиционная биология имеет ранние истоки своего зарождения. Они идут к средним векам, а становление ее в самостоятельную науку, получившую название «натуралистская биология», приходится на XVIII-XIX века.
Её методом стало тщательное наблюдение и описание явлений природы, главной задачей - их классифицирование, а реальной перспективой - установление закономерностей их существования, смысла и значения для природы в целом.
Первый этап натуралистской биологии ознаменовался первыми классификациями животных и растений. Были предложены принципы их группирования в таксоны различных уровней. С именем К.Линнея связано введение бинарной (обозначение рода и вида) номенклатуры, почти в неизменном виде дошедшей до наших дней, а также принцип иерархического соподчинения таксонов и их наименования - классы, отряды, роды, виды, разновидности. Однако недостатком искусственной системы Линнея было то, что он не дал никаких указаний относительно критериев родства, чем и снизил достоинство этой системы.
Более «естественными», т.е. отражающими родственные связи, были системы, созданные ботаниками — А.Л. Жюссье (1748-1836), О.П. Декандолем (1778-1841) и, в особенности, Ж.Б. Ламарком (1744-1829).
Труд Ламарка был построен на идее развития от простого к сложному, и главным вопросом был вопрос о происхождении отдельных групп и родственных связях между ними. Следует отметить, что в период становления традиционной биологии закладывался комплексный, как мы сегодня говорим, системный подход к исследованию природы.
2.
Физико-химическая, или экспериментальная биология
Термин «физико-химическая биология» был введен в 1970-е годы химиком-органиком Ю.А. Овчинниковым - сторонником тесной интеграции естественных наук и внедрения в биологию современных точных физико-химических методов в целях изучения элементарных уровней организации живой материи - молекулярного и надмолекулярного.
Понятие «физико-химическая биология» является двуплановым.
С одной стороны, понятие это означает, что предметом изучения физико-химической биологии являются объекты живой природы, исследуемые на молекулярном и надмолекулярном уровнях.
С другой, сохраняется и первоначальное его значение: использование физико-химических методов для расшифровки структур и функций живой природы на всех уровнях ее организации. Хотя различение это и достаточно условно, главным считают следующее: физико-химическая биология в наибольшей степени содействовала сближению биологии с точными физико-химическими науками и становлению естествознания как единой науки о природе.
Это не означает, что биология утратила свою индивидуальность. Как раз наоборот. Изучение структуры, функций и саморепродукции фундаментальных молекулярных структур живой материи, результаты которого получили отражение в виде постулатов или аксиом не лишило биологию ее особого положения в системе естествознания. Причина этого в том, что эти молекулярные структуры выполняют биологические функции.
Следует отметить, что ни в какой другой области естествознания, как в биологии, не обнаруживается столь глубокая связь между методами и техникой эксперимента, с одной стороны, и появлением новых идей, гипотез, концепций, с другой. При рассмотрении истории методов физико-химической биологии можно выделить пять этапов, которые находятся между собой как в исторической, так и в логической последовательности. Иными словами, нововведения на одном этапе неизменно стимулировали переход к следующему.
Какие же это методы?
1) МЕТОД МЕЧЕНЫХ АТОМОВ.
Мечение атомов, вводимых в организм, позволяет точно прослеживать передвижение и превращение веществ в организме. Это дало возможность установить динамичность процессов обмена веществ, выявить роль отдельных структур организма в протекании этих процессов. Так был открыт, например, механизм ферментативного биосинтеза белка и нуклеиновых кислот, промежуточный обмен углеводов и жиров и т.д.
2) МЕТОДЫ РЕНТГЕНОСТРУКТУРНОГО АНАЛИЗА И ЭЛЕКТРОННОЙ МИКРОСКОПИИ
Второй этап в истории методов физико-химической биологии можно связать с началом использования рентгеноструктурного анализа (рентгеновских лучей) и электронного микроскопирования, позволяющих исследовать крупные молекулярные компоненты и субмикроскопические структуры клетки. С помощью этих методов английскими исследователями во главе с У. Астбюри (1930-1950-е годы) была установлена двойная спираль строения молекулы ДНК, нитевая структура белков.
3) МЕТОДЫ ФРАКЦИОНИРОВАНИЯ
Третий этап в истории физико-химических методов связан с применением методов фракционирования. Это, прежде всего, методы фракционирования различных биополимеров. В конце 1930-х годов А. Тизелиус разработал метод фракционирования (разделения) белков с помощью электрофореза. Суть этого метода в дальнейшем была использована в различных типах хроматографии - адсорбционной, распределительной, осадочной.
Недостатком этих методов было то, что объектом изучения являлся не целостный организм, а фрагменты различных уровней его организации.
4) МЕТОДЫ ПРИЖИЗНЕННОГО АНАЛИЗА
Четвертый этап в истории методов связан с применением методов прижизненного анализа.
К настоящему времени определился комплекс методов прижизненного анализа структурных и функциональных характеристик организма. К их числу можно отнести методы:
1) микроспектрального и микрофлуорометрического анализов (флуоресценция - испускание ранее поглощенной энергии в виде света);
2) приема оптического сканирования (глубокое проникновение света). Это так называемая оптическая биохимия.
3) радиоспектроскопии;
4) скоростного рентгеноструктурного анализа;
5) анализа структур с помощью ультразвука (УЗИ);
6) электронного микроскопирования.
Эти методы используются не только в физико-химической биологии, но и в медицинской практике.
5) ИСПОЛЬЗОВАНИЕ ЭВМ
Пятый этап в истории методов физико-химической биологии можно представить как широчайшее внедрение электронно-вычислительной техники (ЭВМ) в практику биологического эксперимента.
ЭВМ, с одной стороны, позволяет расшифровывать глубинные структуры и их изменения, которые не выявляют описанные выше методы, а с другой стороны, помогают обрабатывать огромное количество полученной информации.
Современная физико-химическая биология объединила в единый комплекс биологические дисциплины, которые ранее по объективному признаку считались самостоятельными. Иначе говоря, традиционное разделение биологии на науки о строении - цитологию, гистологию, анатомию, морфологию - и науки; исследующие физиолого-биохимические процессы - физиологию и биохимию - в значительной мере утратило свой первоначальный смысл.
3.
Эволюционная биология
Предметом ее является изучение истории развития как отдельного организма, т.е. его онтогенез, так и органического мира в целом или отдельных его таксонов, т.е. филогенез.
Концепция развития для биологии получила фундаментальное значение, поскольку именно для живой природы развитие во времени - неотъемлемое и наиболее характерное свойство.
В итоге сформировалась достаточно самостоятельная область знания эволюционная биология. Понятие «эволюционной биологии» намного шире, чем понятие «теория естественного отбора» и понятия «эволюционное учение»! Многоплановый облик эволюционной биологии сложился в результате интеграции двух потоков знания.
Во-первых
, в итоге развития самого эволюционного учения, приведшего к разнообразию самих теорий эволюции (дарвинизм, синтетическая теория эволюции - СТЭ, недарвиновская и т.д.).
Второй поток
- это вклад различных биологических дисциплин, да и всего естествознания в целом в единый комплекс знаний об эволюции и ее механизмах.
В настоящее время накоплено огромное количество информации в биологии и в естествознании, так что возникает необходимость в проведении нового эволюционного синтеза.
27. Концепции происхождения жизни на Земле (креационизм, самопроизвольное (спонтанное) зарождение, теория стационарного состояния, теория панспермии и теория биохимической эволюции)
Теории, касающиеся возникновения Земли, да и всей Вселенной, разнообразны и далеко не достоверны.
1. Креационизм.
Согласно этой теории, жизнь возникла в результате какого-то сверхъестественного события в прошлом; ее придерживаются последователи почти всех наиболее распространенных религиозных учений. В 1650 году архиепископ Ашер из г. Арма (Ирландия) вычислил, что Бог сотворил мир в октябре 4004 г. до н. э. и закончил свой труд 23 октября в 9 часов утра, создав человека. Ашер получил эту дату, сложив возраст всех людей, упоминающихся в библейской генеалогии, от Адама до Христа («кто кого родил»). С точки зрения арифметики, это разумно, однако при этом получается, что Адам жил в то время, когда, как показывают археологические находки, на Ближнем Востоке существовала хорошо развитая городская цивилизация.
Традиционное иудейско-христианское представление о сотворении мира, изложенное в Книге Бытия, вызывало и продолжает вызывать споры. Хотя все христиане признают, что Библия — это завет Господа людям, по вопросу о длине «дня», упоминающегося в Книге Бытия, существуют разногласия. Некоторые считают, что мир и все населяющие его организмы были созданы за шесть дней продолжительностью по 24 часа. Они отвергают любые другие точки зрения и целиком полагаются на вдохновение, созерцание и божественное откровение. Другие христиане не относятся к Библии как к научной книге и считают, что в Книге Бытия изложено в понятной для людей всех времен форме теологическое откровение о сотворении всех живых существ всемогущим Творцом. Для них описание сотворения живых существ относится к ответу, скорее, на вопрос «почему», а не «каким образом». Если наука в поисках истины широко использует наблюдение и эксперимент, то богословие постигает истину через божественное откровение и веру.
2. Самопроизвольное (спонтанное) зарождение
Согласно этой теории жизнь возникала и возникает неоднократно из неживого вещества. Эта теория была распространена в Древнем Китае, Вавилоне, Египте. Аристотель, которого часто называют основателем биологии, развивая более ранние высказывания Эмпедокла об эволюции живого, придерживался теории самопроизвольного зарождения жизни. Он считал, что «..живое может возникать не только путем спаривания животных, но и разложением почвы». С распространением христианства эта теория оказалась в одной проклятой церковью «обойме» с оккультизмом, магией, астрологией, хотя и продолжала существовать где-то на заднем плане, пока не была опровергнута экспериментально в 1688 г. итальянским биологом и врачом Франческо Реди. Принцип «Живое возникает только из живого» получил в науке название Принципа Реди. Так складывалась концепция биогенеза, согласно которой жизнь может возникнуть только из предшествующей жизни. В середине 19-го века Л. Пастер окончательно опроверг теорию самопроизвольного зарождения и доказал справедливость теории биогенеза.
3. Теория стационарного состояния
Согласно этой теории, Земля никогда не возникала, а существовала вечно; она всегда была способна поддерживать жизнь, а если и изменялась, то очень мало; виды также существовали всегда. Совершенные методы датирования дают высокие оценки возраста Земли, что позволяет сторонникам теории стационарного состояния полагать, что Земля существовала всегда. Согласно этой теории, виды также никогда не возникали, они существовали всегда, и у каждого вида есть лишь две возможности — либо изменение численности, либо вымирание.
Сторонники этой теории не признают, что наличие или отсутствие определенных ископаемых остатков может указывать на время появления или вымирания того или иного вида, и приводят в качестве примера представителя кистеперых рыб — латимерию. По палеонтологическим данным кистеперые вымерли в конце мелового периода 70 млн. лет назад. Однако это заключение пришлось пересмотреть, когда в районе Мадагаскара были найдены живые представители кистеперых. Сторонники теории стационарного состояния утверждают, что только изучая ныне живущие виды и сравнивая их с ископаемыми останками, можно сделать вывод о вымирании, да и в этом случае весьма вероятно, что он окажется неверным. Используя палеонтологические данные для подтверждения теории стационарного состояния, ее немногочисленные сторонники интерпретируют появление ископаемых остатков в экологическом аспекте. Так, например, внезапное появление какого-либо ископаемого вида в определенном пласте они объясняют увеличением численности его популяции или его перемещением в места, благоприятные для сохранения остатков. Большая часть доводов в пользу этой теории связана с такими неясными аспектами эволюции, как значение разрывов в палеонтологической летописи, и она наиболее подробно разработана именно в этом направлении.
4. Теория панспермии
Эта теория не предлагает никакого механизма для объяснения первичного возникновения жизни, а выдвигает идею о ее внезапном происхождении. Поэтому ее нельзя считать теорией возникновения жизни как таковой; она просто переносит проблему возникновения жизни в какое-то другое место Вселенной.
Теория панспермии утверждает, что жизнь могла возникнуть один или несколько раз в разное время и в разных частях Галактики или Вселенной. Для обоснования этой теории используются многократные появления НЛО (неопознанных летающих объектов), наскальные изображения предметов, похожих на ракеты и «космонавтов», а также (пока еще пишем — не подтвержденные) сообщения о встречах с инопланетянами. Советские и американские исследования в космосе позволяют считать, что вероятность обнаружить жизнь в пределах нашей Солнечной системы ничтожна, — однако они не дают никаких сведений о возможной жизни вне этой системы. При изучении материала метеоритов и комет в них были обнаружены многие «предшественники живого» — такие вещества, как цианогены, синильная кислота и органические соединения, которые, возможно, сыграли роль «семян», падавших на голую землю. Появился ряд сообщений о нахождении в метеоритах объектов, напоминающих примитивные формы жизни, однако доводы в пользу их биологической природы пока не кажутся ученым убедительными.
5. Теория биохимической эволюции
Согласно этой теории, жизнь возникла в специфических условиях древней Земли в результате процессов, подчиняющимся физическим и химическим законам. Эту теорию также называют гипотезой Опарина – Холдэйна.
Согласно данным современной науки возраст Земли составляет примерно 4,5 - 5 млрд. лет. В далеком прошлом условия на Земле коренным образом отличались от современных, что обусловило определенное течение химической эволюции, которая явилась предпосылкой для возникновения жизни. Другими словами, собственно биологической эволюции предшествовала предбиотическая
эволюция, связанная с переходом от неорганической материи к органической, а затем к элементарным формам жизни. Это было возможным в определенных условиях, которые имели место на Земле в то время, а именно:
- высокая температура, порядка 4000 °С;
- атмосфера, состоящая из водяных паров, СO2
, СН3
, NH3
;
- присутствие сернистых соединений (вулканическая активность);
- высокая электрическая активность атмосферы;
- ультрафиолетовое излучение Солнца, которое беспрепятственно достигало нижних слоев атмосферы и поверхности Земли, поскольку озоновый слой еще не сформировался.
Следует подчеркнуть одно из важнейших отличий теории биохимической эволюции от теории самопроизвольного (спонтанного) зарождения, а именно: согласно этой теории жизнь возникла в условиях, которые для современной биоты непригодны!
28. Признаки живых организмов. Характеристика форм жизни (вирусы, бактерии, грибы, растения и животные)
Современная биология при описании живого идет по пути перечисления основных свойств живых организмов. При этом подчеркивается, что только совокупность данных свойств может дать представление о специфике жизни.
Главные характеристики живого: САМООБНОВЛЕНИЕ, САМОВОСПРОИЗВЕДЕНИЕ и САМОРЕГУЛЯЦИЯ.
Они определяют и основные свойства живого:
1) МАТЕРИАЛЬНОСТЬ;
2) СТРУКТУРИРОВАННОСТЬ - живые организмы обладают сложной, упорядоченной структурой;
3) МЕТАБОЛИЗМ — живые организмы получают энергию из окружающей среды и используют ее на поддержание своей высокой упорядоченности;
4) ДВИЖЕНИЕ;
5) НАСЛЕДСТВЕННОСТЬ и ИЗМЕНЧИВОСТЬ - живые организмы не только изменяются, но и усложняются; а также способны передавать потомкам заложенную в них информацию, необходимую для жизни, развития и размножения;
6) РЕПРОДУКЦИЯ - все живое размножается;
7) РАЗДРАЖИМОСТЬ - способность реагировать на внешние раздражения;
8) ОНТО- и ФИЛОГЕНЕЗ;
9) ДИСКРЕТНОСТЬ;
10) ЦЕЛОСТНОСТЬ.
Обобщая и несколько упрощая сказанное о специфике живого, можно сказать, что все живые организмы питаются, дышат, растут, размножаются и распространяются в природе, а неживые тела не питаются, не дышат, не растут и не размножаются.
Из совокупности этих признаков вытекает следующее обобщенное определение сущности живого: «жизнь есть форма существования сложных, открытых систем, способных к самоорганизации и самовоспроизведению. Важнейшими функциональными веществами этих систем являются белки и нуклеиновые кислоты.
Царство Вирусы
Слово «вирус» происходит от лат. Virus - яд животного происхождения. Это царство, включающее мельчайшие микроорганизмы, паразиты клеток растений и животных.
Вирусы были открыты в 1892 г. Д.И.Ивановским при изучении возбудителей мозаичной болезни табака. Бактериофаги - паразиты бактерий - открыты в 1917 г. Д' Эреллем как агенты, разрушающие культуру дифтерийной палочки. Вирусы и бактериофаги относят к неклеточным формам жизни.
Их особенности:
1) незначительные размеры (десятые и сотые доли микрона);
2) отсутствие клеточного строения;
3) простой химический состав;
4) невозможность существования вне организма хозяина.
Форма вирусов может быть различна: палочковидная, нитевидная, сферическая, кубовидная, булавовидная.
Зрелые частицы вирусов - вирионы - состоят из двух основных компонентов: ДНК или РНК (уложенной в виде спирали) и белка.
Спираль упакована в белковую оболочку - капсид, построенный из множества одинаковых частиц - капсомеров. Белковый капсид и нуклеиновая кислота образуют так называемый нуклеокапсид.
Нуклеиновая кислота, защищенная капсидом, не проявляет активности. После же проникновения в клетку начинается процесс синтеза ферментов, белков, нуклеиновых кислот вируса, затем разрешение клетки - хозяина и высвобождения вирионов.
Вирусы являются возбудителями многих болезней растений и животных. В прошлые века вирусные инфекции носили характер пандемий и эпидемий, захватывая огромные территории.
Например, в Европе оспой заболевало 10-12 млн. и умирало 1,5 млн. человек. Особо следует отметить корь. На сегодняшний день от кори ежегодно погибает более 2 млн. детей.
В 1918-1919 гг. грипп-испанка унес более 20 млн. людей.
Вирусные заболевания наносят огромный ущерб сельскому хозяйству. Для животных очень опасен вирус ящура, а вирусные заболевания картофеля, огурцов, томатов и др. существенно снижают урожаи сельскохозяйственных культур.
Вопрос о происхождении вирусов остается до сего времени не решенным.
Наиболее вероятной представляется гипотеза, трактующая вирусы как результат деградации клеточных организмов. Можно предположить, что длительная эволюция вирусов шла по пути облигатного паразитизма, а именно утраты автономной АТФ, белоксинтезирующего аппарата и собственной цитоплазматической мембраны.
Существует и другое мнение, что вирусы можно рассматривать как группы генов, вышедших из-под контроля генома клетки. В пользу этой гипотезы говорит родство ДНК некоторых вирусов с ДНК клетки и возможность включения ДНК вирусов в геном клетки.
Царство Бактерии
Царство Прокариот представлено весьма многочисленным и разнообразным миром бактерий. Возраст наиболее древних бактерий насчитывает, по меньшей мере, 3-3,5 млрд. лет. Многие бактерии, по мнению ученых, появились сравнительно недавно. В настоящее время различные представители мира бактерий занимают практически беспредельные экологические ниши на нашей планете. Они выделяются из льдов Арктики и Антарктиды, проникают в нефтяные скважины, живут в воде горячих источников, температура которых достигает 92°С, обильно населяют все типы почв (в 1г почвы содержится от 300 млн. до 2 млрд. клеток) и водоемы, поднимаются с потоками воздуха на высоту 85 км.. Многие прокариоты в процессе эволюции приспособились к жизни в организмах эукариот.
Бактерия в переводе с греческого означает палочка. Бактерии были открыты голландцем А. Левенгуком в 1675 г., но только Луи Пастер впервые показал роль бактерий в процессе брожения и других превращений веществ в природе. Бактерий насчитывается 5000 видов.
ОСОБЕННОСТИ ИХ СТРОЕНИЯ:
- малые размеры (0,0001 мм);
- типичная прокариотная клетка, отсутствуют обособленное ядро, митохондрии, пластиды, комплекс Гольджи, ядрышко, хромосомы и т.д.;
- особое строение и состав мембранных структур и клеточных стенок;
- по форме клетки могут быть шаровидные, палочковидные и извитые.
Среди бактерий по источнику используемой энергии выделяются ФОТОТРОФЫ и ХЕМОТРОФЫ.
Фотосинтезирующие бактерии для синтеза органических веществ используют световую энергию. Способность к фотосинтезу определяется наличием, пигментов - хлорофиллинов. Хемосинтезирующие бактерии используют для синтеза органических веществ не световую энергию, а энергию, выделяющуюся при окислении каких-либо неорганических веществ окружающей среды.
По отношению к кислороду выделяют: облигатные аэробы, факультативные анаэробы и строгие анаэробы.
По источнику используемого углерода выделяют: автотрофы и гетеротрофы (паразиты и сапрофиты).
АВТОТРОФНЫЕ — способны синтезировать из неорганических соединений органические вещества своего тела.
ГЕТЕРОТРОФНЫЕ - не способные синтезировать органические вещества из неорганических, поэтому они нуждаются в поступлении готовых органических веществ извне в виде пищи.
САПРОФИТЫ - это бактерии, поселяющиеся на мертвых, останках растений и животных (бактерии гниения и брожения).
ПАРАЗИТЫ — это бактерии, пищей которых служат готовые органические вещества живых организмов (холерный вибрион, столбнячная палочка, туберкулёзная палочка гонококки).
Разнообразие и пластичность бактерий обусловливает возможность использования ими не только естественного субстрата, но и веществ химического синтеза. Они действительно способны трансформировать любые пластмассы, каучук, солярку, нефтепродукты, парафин, фенол, пестициды и т.д.
Царство Грибы
Царство Грибы насчитывает 100 000 видов, разнообразных по строению и образу жизни. Грибы — это обособленная группа клеточных ядерных гетеротрофных организмов, имеющих сходство как с животными, так и с растениями.
Исследования показывают, что грибы - это древняя группа, существовавшая еще до расхождения растений и животных, поэтому они выделены в самостоятельное царство.
Признаки сходства грибов с животными:
1-характер обмена веществ, связанный с образованием мочевины;
2-гетеротрофный тип питания;
3-содержание в стенке клеток хитина;
4-образование запасного продукта — гликогена.
Признаки сходства грибов с растениями:
1- питание путем всасывания;
2-неограниченный рост;
3-наличие в клетках клеточной стенки;
4-размножение со спорами.
Распространены грибы во всех географических зонах. Они обнаруживаются в лесах, полях, в почве, в воде, на стенах домов и в организмах растений, животных и человека. СТРОЕНИЕ ГРИБОВ
Тело гриба состоит из особых переплетающихся нитей - гиф. Всю совокупность гиф гриба называют мицелием или грибницей.
Размеры грибов - от микроскопических до 1,5 м в диаметре (у некоторых трутовиков).
Шляпочный гриб состоит из грибницы и плодового тела. А плодовая часть - из шляпки и пенька. Характерной особенностью грибов является их гетеротрофность:
1-некоторые грибы поселяются на мертвых останках растений и животных (сапрофиты);
2-некоторые питаются за счет живых существ (паразиты);
3-некоторые вступают в симбиоз с растениями.
Размножаются грибы бесполым и половым путем. Бесполое размножение осуществляется вегетативно и спорами.
Формы полового размножения у грибов разнообразны и их делят на три группы: гаметогамия, гаметангиогамия, соматогамия.
В результате адаптации к определенным условиям среды у грибов сложились несколько экологических групп:
1-почвенные грибы;
2-водные грибы;
3-грибы-паразиты.
РОЛЬ ГРИБОВ
Грибы - это основная группа редуцентов в экосистемах. Они участвуют в почвообразовании, выполняют роль санитаров, служат пищей и лекарством для животных.
В настоящее время их используют в микробиологической промышленности (синтез витаминов, органических кислот), хлебопечении (дрожжи), медицинской промышленности (синтез антибиотиков) и т.д.
Отрицательная роль - это паразитические грибы, ядовитые и вызывающие порчу продуктов.
Царство Растения
Наука, изучающая растения называется ботаника (в переводе с греч. означает трава, зелень). Если сопоставить наличие растительной массы на Земле по отношению к животной, то это выразится соотношением 2200:1.
Разнообразие растений велико - 500 000 видов.
Роль зеленых растений может быть определена так:
1) зеленые растения обеспечивают атмосферный воздух кислородом;
2) образующиеся в процессе фотосинтеза органические вещества используются как пища растениями, животными и человеком;
3) в органическом веществе аккумулируется солнечная энергия;
4) растения дают огромное количество продуктов, которые используются как сырьё для различных отраслей промышленности;
5) эстетическая роль.
Растения объединяются в два подцарства по организации вегетативного тела: низшие и высшие растения.
Низшие Растения характеризуются относительной простотой строения. Внешне тело не расчленено на корень, стебель и листья и носит название СЛОЕВИЩЕ или ТАЛЛОМ. Слоевище может быть представлено одной клеткой или быть многоклеточным, приобретая разнообразные формы (нити, ленты, куста и т.д.). К низшим растениям относятся ВОДОРОСЛИ и ЛИШАЙНИКИ.
Водоросли насчитывают 60 000 видов. Лишайники - 20 000 видов.
Водоросли являются предками наземных растений. Половое размножение с образованием гамет впервые наблюдается у водорослей.
К подцарству Высших Растений относятся отделы:
- псилофиты (вымершие);
- мохообразные;
- папоротникообразные;
- голосеменные;
- покрытосеменные.
Характерные признаки высших растений:
1. Большинство высших растений имеют расчленение на вегетативные органы: корень, побег (листья и стебель).
2. В основе строения вегетативных органов лежат разнообразные ткани.
3. Для высших растений типичен женский половой орган - архегоний, наблюдаемый у низших растений. У цветковых - от архегония осталась лишь главная часть - яйцеклетка.
4. Как правило, обитатели суши.
5. По способу питания, как правило, автотрофы.
6. В развитии характерно чередование полового и бесполого поколений.
Произошли высшие растения от зеленых и бурых водорослей.
Царство Животные
Животных изучает наука, которая называется зоология ( в переводе с греч. означает наука о животных).
Известно около 2 млн. различных животных - от микроскопических до гигантских форм, обитающих повсеместно.
Это одно- и многоклеточные организмы.
Различают травоядных, плотоядных, всеядных животных.
Животные ведут и различный образ жизни: свободный, симбиотический и паразитический.
Животные в природе и для человека играют как положительную, так и отрицательную роль.
Положительное значение:
1-в природе:
а) консументы;
б) санитары;
в) опылители;
г) почвообразователи.
2- для человека:
а) продукт питания;
б) сырье для промышленности;
в) экспериментальный лабораторный материал;
г) бионика;
д) помощники в труде, спорте, отдыхе.
Отрицательное значение:
1) ядовитые, опасные;
2) возбудители заболеваний;
3) переносчики и промежуточные хозяева возбудителей заболеваний;
4) вредители сельского хозяйства.
29. Структурные уровни организации живой материи
Интересно, что проблему уровней организации живой материи решили не биологи, а философы. В 1920-е годы американские философы Г. Браун и Р. Селларс объявили о разработке ими понятия «структурные уровни». Согласно их концепции, эти «уровни» различаются не только по «классам сложности», но и по закономерностям функционирования.
Надо сказать, что концепция Г. Брауна и Р. Селларса не была принята сразу. А применение она нашла лишь в середине 20-го века.
Развитию этой концепции и ее внедрению в биологию содействовал А.Новиков в 1940-е годы.
Структурный, или системный, анализ обнаруживает, что мир живого чрезвычайно многообразен, имеет сложную структуру. На основе разных критериев могут быть выделены различные уровни, или подсистемы, живого мира. Наиболее распространенным является выделение на основе критерия масштабности следующих уровней организации живого.
1. БИОСФЕРНЫЙ
- включает всю совокупность живых организмов Земли вместе с окружающей их природной средой.
2. БИОГЕОЦЕНОТИЧЕСКИЙ
- выражает следующую ступень структуры живого, состоящую из участков Земли с определенным составом живых и неживых компонентов, представляющих природный комплекс, экосистему.
3. ПОПУЛЯЦИОННО-ВИДОВОЙ
- совокупность свободно
скрещивающихся особей одного вида - популяции.
4. ОРГАНИЗМЕННЫЙ И ОРГАННО-ТКАНЕВОЙ
- отражают признаки отдельных особей, их строение, физиологию, поведение, а также строение и функции органов и тканей живых существ.
5. КЛЕТОЧНЫЙ И СУБКЛЕТОЧНЫЙ
- отражают процессы специализации клеток, а также различные внутриклеточные включения.
6. МОЛЕКУЛЯРНЫЙ
- составляет предмет молекулярной биологии, одной из важнейших проблем которой является изучение механизмов передачи генной информации и развитие генной инженерии и биотехнологии.
Разделение живой материи на уровни является, конечно, весьма условным. Например, решение конкретных биологических проблем опирается на данные обо всех уровнях живого. Но все же в мире существуют ступенчатые уровни, своего рода иерархии. И, безусловно, фундаментальной основой («первокирпичиками») живого мира является клетка.
30. Происхождение и этапы эволюции человека как биологического вида
Решающий вклад в доказательство животного происхождения человека внес Ч. Дарвин («Происхождение человека и половой отбор»(1871), «Выражение эмоций у человека и животных» (1872)).
Дарвин проанализировал обширные данные систематики, сравнительной анатомии, сравнительной эмбриологии и палеонтологии. И пришел к выводу о поразительном сходства человека с животными, особенно с человекообразными обезьянами.
Систематика и сравнительная анатомия
Человек относится к классу млекопитающих. Он имеет:
1) млечные, сальные и потовые железы;
2) волосяной покров тела;
3) специализированные зубы;
4) четырехкамерное сердце и левую дугу аорты;
5) внутриутробное развитие и вскармливание детенышей молоком.
Наибольшее сходство наблюдается с человекообразными обезьянами (антропоидами): гориллой, шимпанзе, орангутангом, гиббоном. Черты их сходства:
1) общность внутреннего строения;
2) отсутствует хвост;
3) сходные ушные раковины;
4) имеются ногти на пальцах;
5) одинаково выражают эмоции (плач, гнев, смех, возбуждение);
6) имеют сходные болезни (туберкулез, брюшной тиф, дизентерия, детский паралич, синдром Дауна (лишняя 21 хромосома));
7) сходны группы крови и альбумины крови;
8) сходство нуклеотидных последовательностей ДНК (у человека и шимпанзе составляет 91%).
Сравнительная эмбриология
На ранних этапах развития зародыш человека невозможно ОТЛИЧИТЬ от зародышей приматов и других позвоночных:
1) двухкамерное сердце;
2) шесть пар жаберных дуг;
3) хвостовая артерия;
4) сегментарное строение мышц;
5) перепонки между пальцами (как у амфибий);
6) гладкий, без извилин, головной мозг;
7) несколько пар молочных желез;
8) хвостовой отдел позвоночника (затем редуцируется и превращается в копчик).
Некоторые из этих признаков сохраняются в виде рудиментов (их более 90): аппендикс, волосяной покров, подкожные мускулы и т.д.
Вместе с тем человек имеет специфические, присущие только ему особенности:
1) прямохождение;
2) опорную стопу с сильно развитым первым пальцем;
3) противопоставление первого пальца только на руке;
4) подвижную кисть руки;
5) позвоночник с четырьмя изгибами;
6) расположение таза под углом 60° к горизонтали;
7) большой и объемистый мозг с развитой корой;
8) относительно крупные размеры лицевого отделов черепа;
9) ограниченную плодовитость;
10) плечевой сустав, допускающий движение рук с размахом почти до 180° и другие.
Палеонтологические данные
Найдены ископаемые предки человека - древнейшие и древние люди.
Первые плацентарные млекопитающие возникли в конце мезозойской эры. От примитивных насекомоядных млекопитающих обособился отряд приматов.
Около 30 млн. лет назад появились парапитеки - небольшие животные, жившие на деревьях и питающиеся растениями и насекомыми.
От парапитеков произошли гиббоны, орангутанги и вымершие впоследствии древесные обезьяны - дриопитеки.
Дриопитеки дали три ветви, из которых две привели к шимпанзе и горилле, а третья, через ряд промежуточных форм, к человеку.
В процессе становления человека выделяют три стадии:
1) древнейшие люди;
2) древние люди;
3) современные люди.
Древнейшие люди.
Возникли около 1 млн. лет назад. Известно несколько их форм: питекантроп, синантроп и гейдельбергский человек. Они отличались большими надбровными дугами, отсутствием подбородочного выступа, низким и покатым лбом. Масса мозга достигала 800 - 1000 г. Они жили в пещерах, использовали огонь, изготавливали каменные орудия.
Древние люди.
Неандертальцы появились около 200 000 лет назад. Объем их мозга возрос до 1 400 см3. У них была зачаточная речь, судя по особенностям строения нижней челюсти. Современные люди.
Появились 40 - 50 тыс. лет назад. А около 28 000 лет назад кроманьонцы окончательно вытеснили неандертальцев.
Они были высокого роста (до 180 см), с высоким лбом и объемом черепной коробки до 1600 см3. У них отсутствовал сплошной надглазный валик, имелся подбородочный выступ, и была хорошо развита членораздельная, речь. Кроманьонцы изготавливали разнообразные орудия труда из кости, камня, приручали животных и начали осваивать земледелие.
Современное человечество
принадлежит к виду - Человек разумный. Внутри вида выделяют три ' большие расы: негроидную, европеоидную и монголоидную. Различия между расами сводятся к особенностям цвета кожи, волос, глаз, формы носа, губ и т.д. Возникли эти различия в процессе приспособления человеческих популяций к местным природным условиям.
Надо сказать, что до сих пор бытует мнение о том, что общественная сущность людей отражает биологические закономерности («социальный дарвинизм»), а расы разделяются на высшие и низшие (расизм). Одним из появлений расизма является фашизм.
Важную роль в эволюции человека сыграли биологические и социальные факторы.
Биологические факторы
1. Древесный образ жизни (совместное действие зрительного анализатора и руки способствовало прогрессивному развитию коры головного мозга и манипулированию предметами).
2. Стадный образ жизни (способствовал выработке сигнальных систем).
3. Способность к прямохождению (освободила передние конечности для манипулирования ими).
4. Большой объем головного мозга (материальный субстрат высшей нервной деятельности).
Социальные факторы
1. Трудовая деятельность (сложные манипуляции рукой привели к ее функциональным и морфологическим изменениям. Рука - не только орган труда, она и его продукт).
2. Совместная трудовая деятельность (привела к совершенствованию сигнальных систем, мозга, развитию речи, изменению гортани).
3. Потребление мяса, использование огня и одомашнивание животных.
4. Расселение людей и становление общественных отношений.
При этом ведущими факторами были труд и изготовление орудий труда.
31. Клеточная организация живых систем (структура клетки)
Живая клетка является мельчайшей системой, обладающей всем комплексом свойств живого, в том числе и носителем генетической информации.
Основы клеточной теории были заложены немецкими учеными Т. Шванном и М.Я. Шлейденом в XIX веке. Основное положение клеточной теории состоит в утверждении, что все растительные и животные организмы состоят из клеток, сходных по своему строению.
ПОСТУЛАТЫ КЛЕТОЧНОЙ ТЕОРИИ:
1. Все живые организмы состоят из клеток.
2. Клетки одноклеточных и многоклеточных организмов сходны по своему строению, химическому составу и выполняемым функциям.
3. Размножение клеток происходит путем деления исходной (материнской) клетки.
4. Многоклеточные организмы представляют собой сложные комплексы клеток, объединенные целостные системы тканей и органов, связанных между собой межклеточными, гуморальными, нервными формами регуляции.
Размеры клеток колеблются от одной тысячной сантиметра до 10 см, что встречается редко.
Клетки образуют ткани, несколько типов тканей — органы, группы органов - системы организма.
Клетка имеет сложную структуру. В состав клетки входят: ядро, цитоплазма и мембрана.
Существуют организмы с клеточным строением, клетки которых не имеют структурно оформленного ядра. Это так называемые ПРОКАРИОТЫ.
Считают, что они являются предшественниками ЭУКАРИОТОВ (ядерное содержимое которых заключено в ядерную оболочку), которые появились около 3 млрд. лет тому назад.
К прокариотам относятся бактерии и сине-зеленые водоросли, а к эукариотам — все остальные клетки, начиная от низших растений до человека.
Структура прокариотической клетки:
1) нуклеоид (циклическая молекула ДНК); 2) впячивания плазмолеммы; 3) ферменты на клеточных складках (выполняют синтез углеводов, липидов, фотосинтез); 4) цитоплазма; 5) рибосомы (отвечают за синтез белков); 6) мембрана; 7) клеточная стенка.
Структура эукариотической клетки:
1. Животная клетка:
1) ядро с ядрышком; 2) цитоплазматическая мембрана; 3) эндоплазматическая сеть; 4) пиноцитозная вакуоль; 5) лизосома; 6) аппарат Гольджи; 7) жировые включения; 8) центриоли; 9) митохондрии; 10) полирибосомы.
2. Растительная клетка:
1) ядро с ядрышком; 2) цитоплазматическая мембрана; 3) эндоплазматическая сеть; 4) плазмодесма; 5) пиноцитозная вакуоль; 6) аппарат Гольджи; 7) лизосома; 8) митохондрии; 9) полирибосомы; 10) вакуоль; 11) хлоропласт.
Основное отличие прокариотической клетки от эукариотической в том, что у последней молекула ДНК связана с белком и организована в хромосомы, которые располагаются в ядре. Эукариотические клетки обычно крупнее прокариотических.
32. Химический состав клетки (элементарный, молекулярный – неорганические и органические вещества)
Химические соединения, входящие с состав клетки разделят условно на органические и неорганические
.
К органическим
относятся:
БЕЛКИ - 10-20%;
ЖИРЫ - 1-5%;
УГЛЕВОДЫ - 0,2-2%;
НУКЛЕИНОВЫЕ КИСЛОТЫ - 1-2%;
АТФ - 0,1-0,5%.
К неорганическим
относятся:
ВОДА - 70-85%;
МИНЕРАЛЬНЫЕ СОЛИ - 1-1,5%.
Остановимся более подробно на функциях химических соединений, входящих в состав клетки.
Вода выполняет следующие функции:
1) является универсальным растворителем;
2) необходима для гидролиза и окисления высокомолекулярных веществ (белков, жиров, углеводов);
3) обеспечивает перенос необходимых веществ и выделение вредных продуктов;
4) теплорегулятор клетки и организма в целом;
5) осморегулятор.
Минеральные вещества выполняют функции:
1) поддерживают постоянство внутренней среды организма за счет влияния на кислотно-щелочное равновесие крови, плазмы, межклеточной жидкости;
2) обеспечивают постоянство осмотического давления, следовательно, поступление воды в клетку;
3) активация ферментов;
4) соединение с органическими веществами.
Белки
- это биополимеры, мономерами которых являются аминокислоты. Белки обладают первичной, вторичной, третичной и четвертичной структурами. Белки делятся на два класса: фибриллярные и глобулярные.
Белки выполняют следующие функции:
1) ферментативную (входят в состав ферментов);
2) структурную (входят в состав мембран, рибосом, хромосом);
3) транспортную (переносят кислород- гемоглобин);
4) двигательную (обеспечивают сокращение мускулатуры, движение жгутиков, ресничек, хромосом при делении и т.д.);
5) защитную (входят в состав антител и защитных покровов: волос рогов, копыт и т.д.);
6) энергетическую (при расщеплении 1г белка выделяется 17,1 кДж энергии).
Углеводы подразделяют на моносахариды и полисахариды.
Их функции следующие:
1) основной источник энергии в клетке (окисление 1г глюкозы дает 17,1 кДж энергии);
2) структурная (строительный материал) - целлюлозная стенка у растений;
3) играют роль запасных питательных веществ: крахмал в растительных клетках, гликоген - в животных;
4) исходное органическое вещество в цепи питания.
Липиды
— жироподобные вещества, у которых одна молекула жирной кислоты замещена Н3РО4.
Липиды выполняют следующие функции:
1) структурная (входит в состав мембран);
2) форма депонирования энергии (окисление 1г жира дает 39 кДж энергии);
3) защитная функция (защитный каркас для внутренних органов, теплорегуляция, подкожный жир обеспечивает эластичность);
4) компонент витаминов, растительных пигментов;
5) источник воды для животных организмов.
Нуклеиновые кислоты (ДНК и РНК). В состав нуклеиновых кислот входят: азотистое основание, углевод, остаток фосфорной кислоты.
ДНК выполняет в клетке следующие функции:
1) химическая основа хромосомного генетического материала (гена);
2) синтез ДНК;
3) синтез РНК;
4) закодированная информация о структуре белков.
Функции РНК:
1) иРНК (информационная) передает закодированную информацию о первичной структуре белковой молекулы;
2) рРНК (рибосомная) входит в состав рибосом;
3) тРНК (транспортная) переносит аминокислоты к рибосомам.
АТФ (аденозинтрифосфорная кислота). В состав АТФ входят: аденин, 3 остатка фосфорной кислоты, углевод (рибоза).
АТФ в клетке выполняет следующие функции:
1) отщепление фосфорной группы сопровождается выделением 40 кДж энергии (при разрыве обычной химической связи выделяется 12 кДж), поэтому АТФ обеспечивает энергией процессы жизнедеятельности клетки.
33. Биосфера – определение. Учение В.И. Вернадского о биосфере
Термин «биосфера» был введен австрийским геологом Э. Зюссом
в 1875 г. для обозначения оболочки Земли, населенной живыми организмами.
Более глубоко и широко биосфера представлена в трудах Владимира Ивановича Вернадского.
БИОСФЕРА
- это вместилище жизни, сложная, целостная система, динамическое равновесие которой проявляется множеством параметров. Само слово «биосфера» произошло от слов «био» и «сфера» - это область активной жизни, охватывающей нижнюю часть атмосферы, верхнюю часть литосферы и гидросферу.
В биосфере живые организмы (живое вещество) и среда обитания органически связаны между, собой и взаимодействуют друг с другом, образуя целостную динамическую систему.
В.И.Вернадский писал: «Биосфера
- это среда нашей жизни, это та «природа», о которой мы говорим в разговорном языке. Человек, прежде всего, своим дыханием, проявлением своих функций, неразрывно связан с этой «природой», хотя бы он жил в городе или в уединенном домике».
«Человек ... как и все живые организмы, как всякое живое вещество, есть определенная функция биосферы ... составляет определенную закономерность строения биосферы».
БИОСФЕРА
— это совокупность всех живых существ в природе, которая имеет свои границы.
Основные идеи Вернадского по проблемам биосферы сложились в начале прошлого столетия. Вернадский рассматривал биосферу как область жизни, основа которой - взаимодействие живого и косного веществ. Сама биосфера является продуктом длительного развития нашей планеты.
Главной особенностью биосферы ученый считал миграцию атомов химических соединений, вызываемой энергией Солнца и проявляющуюся в процессе обмена веществ, росте и размножении организмов.
Эта биогенная миграция подчиняется двум биогеохимическим принципам:
1) стремится к максимальному проявлению - возникает «всюдность» жизни;
2) приводит к выживанию организмов, увеличивающих биологическую миграцию атомов.
Исходя из этого, можно сказать, что БИОСФЕРА
- это область земной коры, занятая трансформаторами, переводящими космическую энергию в земную - электрическую, химическую, механическую, тепловую и т.д.
Биосфера включает в себя:
1) живые организмы;
2) биогенное вещество (уголь, нефть, известняки и др., ископаемые материалы, органического характера);
3) косное вещество (в его образовании живое не участвует);
4) биокосное вещество (создается с помощью живых организмов);
5) вещество космического происхождения.
В главных чертах охарактеризуем биосферу по отдельным оболочкам, которые она охватывает.
АТМОСФЕРА.
Ее протяженность - 2-3 тыс. км. Граница жизни распространяется до 10 км (споры грибов и бактерий обнаруживают на высоте до 20 км). Атмосферу составляют оболочки: тропосфера, стратосфера и ионосфера.
ТРОПОСФЕРА
- нижний слой атмосферы высотой 15 км, включает взвешенные в воздухе водяные пары, перемешивающиеся при неравномерном нагревании поверхности Земли.
СТРАТОСФЕРА
- слой, лежащий выше тропосферы до высоты 40 км. В верхней части свободный кислород превращается в озон, который образует экран, поглощающий космические излучения и коротковолновые ультрафиолетовые лучи Солнца, губительные для живого.
ИОНОСФЕРА
- слой, находящийся выше стратосферы, где преобладают разряженные газы.
ЛИТОСФЕРА.
Ее протяженность составляет 30-70 км, а границы жизни - 6-8 м (до 100 м). Это твердая каменная оболочка Земли. Верхняя часть литосферы состоит из осадочных горных пород. Под ними лежат гранитные и базальтовые слои. На поверхности литосферы находится почва - слой Земли, изменяемый атмосферой и организмами. Остатки живых организмов разлагаются в почве редуцентами, которые включают в круговорот химические элементы, использующиеся зелеными растениями. Растения играют космическую роль, являясь посредником между Солнцем и всем живым на Земле, так как выделяют кислород и синтезируют органические вещества.
ГИДРОСФЕРА.
Занимает 70% поверхности Земли, ее протяженность - 11 км (Марианская впадина).
Это водная оболочка Земли, расположенная между атмосферой и земной корой. Мировой океан имеет среднюю глубину 3,8 км, максимальную - до 11 км, в нем растворены соединения до 100 химических элементов и, что особенно важно для животных и растений - кислород и углекислый газ. Живые организмы, населяющие Мировой океан, подразделяются на планктон и бентос
. Планктон
- населяет водную толщу, а бентос
- прикреплен ко дну. Океан оказывает большое влияние на климат - смягчает жару и холод. На дне происходят процессы отложения осадочных пород.
Биосфера
- это саморегулирующаяся система, в которой все живые организмы связаны между собой. Эта система формировалась сотни тысяч лет и имела три этапа развития:
1) нижний палеолит, во времена которого происходило основное формирование биомассы планеты, - верхний палеолит;
2) от верхнего палеолита до начала нашего тысячелетия. Это время, когда вмешательство человека, считающего себя высшим существом, привело к первому крупнейшему экологическому кризису, повлекшему за собой вымирание многих видов крупных животных;
3) развитие научно-технического прогресса и нерациональное природопользование. Он продолжается до наших дней.
34. Понятие о живом веществе биосферы. Функции живого вещества в биосфере
Живым веществом
биосферы называют совокупность всех живых организмов. Оно представляет собой открытую систему, для которой характерны рост, размножение, распространение, обмен веществ и энергии с внешней средой. Количественное выражение живого вещества - биомасса. Биомасса Земли составляет 2,423*1012 т, из них на растения приходится 97%
, на животных - 3%
.
Роль живого вещества в природе планеты велика. В целом живое вещество обеспечивает главную функцию биосферы - круговорот веществ в природе (циклическое перемещение и превращение воды, газов и химических элементов).
Биологический круговорот включает:
а) аккумуляцию элементов в живых организмах;
б) минерализацию веществ в результате разложения мертвых организмов.
В процессе круговорота живое вещество выполняет следующие функции:
1) ГАЗОВУЮ
- постоянный газообмен с окружающей средой в процессе дыхания растений и животных и фотосинтеза растений;
2) КОНЦЕНТРАЦИОННУЮ
- биогенная миграция атомов в живые организмы, и после их отмирания - в неживую природу;
3) ОКИСЛИТЕЛЬНО-ВОССТАНОВИТЕЛЬНУЮ
- обмен веществ и энергии с внешней средой; при диссимиляции окисляются органические вещества, выделяемая энергия аккумулируется в АТФ; при ассимиляции энергия АТФ и органические вещества используются для образования необходимых организму веществ;
4) БИОХИМИЧЕСКУЮ
- химические превращения веществ и энергии, составляющие основу жизнедеятельности организмов.
35. Ноосфера – определение и характеристика. Этапы и условия становления ноосферы
Человек своей деятельностью создает новую оболочку Земли - ноосферу
(т.е. сферу разума жизни).
Сам термин «ноосфера» возник в 1926 г. в Париже во время обсуждения доклада Вернадского, где он излагал концепцию развития биосферы. Его предложил французский исследователь Э. Леруа.
НООСФЕРА
- это новое, эволюционное состояние биосферы, при котором разумная деятельность человека становится решающим фактором ее развития.
Условия, необходимые для становления и существования ноосферы.
1. Заселение человеком всей планеты.
На Земле действительно не осталось места, не подвергавшегося в той или иной степени воздействию человека.
2. Резкое преобразование средств связи и обмена между странами.
Средства связи непрестанно развиваются и совершенствуются. Для обмена информацией широко применяется скоростная авиация, факсы, сеть «Интернет», телевидение, радио и т.д.
3. Усиление связей, в том числе политических, между всеми государствами Земли
. Возникла Организация Объединенных Наций (ООН), которая помимо участия в ряде локальных конфликтных ситуаций создала ряд специальных международных организаций для обеспечения сотрудничества в различных областях культурной и практической деятельности.
4. Преобладание геологической роли человека над другими геологическими процессами, протекающими в биосфере.
Человеческая: деятельность изменила состав речных, озерных и морских вод, определила глобальные климатические изменения, влияет на уровень мирового океана, сохранность озонового слоя Земли и т.д.
5. Расширение границ биосферы и выход в космос.
Эта была мысль Вернадского, и она осуществилась, человек вышел в Космос.
6. Открытие новых источников энергии.
Например, энергия атомного распада нашла применение в работе атомных реакторов, электростанций, атомных бомб.
7. Равенство людей всех рас и религий.
После второй мировой войны произошло разрушение колониальных империй, созданных в конце XIX века (Африка, Южная Азия). Почти во всех странах мира люди разных вероисповеданий равноправны.
8. Увеличение роли народных масс в решении вопросов внешней и внутренней политики.
Роль народных масс в жизни большинства людей, несомненно, возрастает.
9. Свобода научной мысли и научного поиска от давления религиозных, философских и политических настроений и создание в общественном и государственном строе условий, благоприятных для свободной научной мысли.
10. Подъем благосостояния трудящихся.
Создание реальной возможности не допустить недоедания, голода, нищеты и ослабление влияния болезней. Процесс улучшения условий жизни идет очень неравномерно (в ' разных странах по-разному). Положение с ослаблением влияния болезней достаточно сложно: появились новые болезни (рак, СПИД, аллергические и т.д.).
11. Разумное преобразование первичной природы Земли с целью сделать ее способной удовлетворить все материальные, эстетические и духовные потребности численно возрастающего населения.
Первые шаги, несомненно, начали осуществляться со второй половины XX века к разумному использованию природных ресурсов.
12. Исключение войн из жизни общества.
Это условие Вернадский считал чрезвычайно важным для создания и существования ноосферы. Оно еще не выполнено.
Таким образом, мы видим, что налицо почти все те конкретные признаки, на которые указывал Вернадский, позволяющие отличить ноосферу от существовавших ранее состояний биосферы. Процесс перехода биосферы в ноосферу будет постепенным и явится действующей стратегией выживания и достижения разумного будущего человечества.
По Вернадскому НООСФЕРА
- это качественно новая форма организованности, возникающая при взаимодействии природы и общества.
В последние годы под НООСФЕРОЙ
- понимается планетарное и космическое пространство, которое преобразуется и управляется человеческим Разумом, гарантирующим прогрессивное его развитие.
Возможно, уместнее было бы говорить о ноосфере, когда человек сможет разумно распоряжаться своим могуществом и обеспечить такое взаимодействие с окружающей средой, которое позволит развиваться и человеку, и природе, и обществу.
36. Физиология человека. Характеристика физиологических систем человека (нервная, эндокринная, сердечнососудистая, дыхательная, выделительная и пищеварительная)
Физиология
- наука о жизнедеятельности организма.
Организм человека
- это открытая система, энергия, вещество и информация потребляются и трансформируются.
Управление физиологическими процессами организма осуществляется центральной нервной системой, вегетативной нервной системой, эндокринной системой, кровью и лимфой.
Центральная нервная система представлена головным мозгом и образует функциональное целое с периферической нервной системой.
Мозг человека подразделяется на 5 отделов:
1 - передний мозг (мозговая кора и мозолистое тело);
2 - промежуточный мозг (таламус и гипоталамус);
3 - средний мозг;
4 - мозжечок;
5 - продолговатый мозг.
С целью контролирования физиологической деятельности головного мозга в медицине сегодня используется электроэнцефалограмма (ЭКГ).
Кора головного мозга отвечает за высшие психические акты: речь, мышление, осмысленные действия.
Спинной мозг ответственен за условные и безусловные рефлексы.
Вегетативная нервная система отвечает за нервную регуляцию внутренней среды организма.
Человек избирательно относится к информации (лишь 1% поступающей к нему информации он способен заключить в свою долговременную память).
Эндокринная система - гипоталамус, эпифиз, гипофиз, щитовидная и околощитовидная железы, надпочечники, поджелудочная железа, половые железы.
Продуктами внутренней секреции являются гормоны (белки и липиды). Гормоны выделяются в кровь и лимфу и, достигнув, органа - мишени, оказывают на него специфическое воздействие.
Жидкие среды: кровь и лимфа
- обеспечивают обмен веществ.
Кровь:
1) переносит кислород от органов дыхания к тканям и углекислый газ от тканей к органам дыхания; \
2) доставляет питательные вещества от органов пищеварения к тканям, а продукты обмена к органам выделения;
3) участвует в поддержании постоянной температуры тела и регуляции водно-солевого обмена и кислотно-щелочного равновесия в организме;
4) выполняет функцию защиты от микроорганизмов и инородных тел.
Лимфа - бесцветная жидкость:
1) обеспечивает обмен веществ между кровью и. тканями организма;
2) удаляет вещества, не поглощаемые кровеносными капиллярами.
Сердце обеспечивает кровоток. Сердце вместе с сосудами (артериями, венами, капиллярами) образует сердечно-сосудистую систему.
Функция дыхания
- перевод кислорода в кровь и выделение углекислого газа. Главным образом дыхание осуществляется через легкие (лишь 1-1,5 % кислорода в организм поступает через кожу и пищеварительный тракт).
Функция желудочно-кишечного тракта
- механическая, обработка пищи, ее переваривание, всасывание продуктов переваривания и включение их в кровоток, выведение чуждых организму вещественных образований.
37. Концепция здоровья. Условия ортобиоза. Валеология – понятие
ЗДОРОВЬЕ
- это комплексная, интегральная и качественная характеристика организма и личности человека.
ЗДОРОВЬЕ
- это состояние максимальной адаптации (биологической и социальной) человека к окружающей среде.
ЗДОРОВЬЕ
- это состояние полного физического, духовного и социального благополучия, а не только отсутствие болезней или физических дефектов.
ЗДОРОВЬЕ
- это количество резервов в организме, это максимальная производительность органов при сохранении качественных пределов их функций. (У каждого человека есть свои резервы здоровья. Например, в спокойном состоянии через легкие проходит 5-9 л воздуха в минуту. А легкие спортсмена могут пропустить в 30 раз больше. Это и есть резерв организма.)
В жизни человека имеют место различные ценности: уровень благосостояния, материальное и духовное богатство, но самую высокую ступень на этой лестнице занимает - здоровье. Причем по мере роста благосостояния населения, удовлетворения его естественных первичных потребностей в пище, жилье и других благах, - относительная ценность здоровья все более возрастает и человек уделяет ему все большее внимание.
Правильный образ жизни И. И. Мечников
называл ортобиозом
(«орто» — прямой, правильный; «био» — связанный с жизнью).
Кратко рассмотрим восемь важнейших условий ортобиоза — какими они представляются с точки зрения современной науки.
1. Труд
, являющийся важнейшим условием физиологического благополучия. Органы-тунеядцы быстро чахнут.
2. Нормальный сон.
Дирижером симфонии жизни, старящимся в первую очередь, является мозг. Средством же восстановления его сил, даваемым самой природой, служит в первую очередь состояние сна. Понятно поэтому, что правильное использование этого блага абсолютно необходимо.
3. Положительные эмоции.
Их обеспечивают доброжелательное отношение к другим людям, юмор, оптимизм. Надо фиксировать внимание на хорошем и уметь радоваться ему.
4. Рациональное питание.
Рациональным оно должно быть по качеству, по количеству и по режиму.
5. Избегать алкоголя и никотина
— важное условие ортобиоза. Алкоголь — яд для всех клеток тела. Слабеют нервные процессы, особенно тормозной. Дрябнет сердечная мышца. От алкоголя тяжело страдает печень — она перестает должным образом выполнять свою барьерную, защитную роль. Кишечные яды все свободнее проникают в кровь, и закономерный конец алкоголика — тяжелое отравление этими ядами, известное под наименованием «белой горячки». Табачный яд — целый букет вредностей. Никотин — нервно-сосудистый яд. Он бьет современного человека в самое больное место — усиливает атеросклероз. От инфаркта миокарда курящие умирают в 11 раз, от рака легких в 13 раз чаще, чем некурящие. Живут они на 10 лет меньше.
6. Соблюдение режима
, т. е. выполнение определенной деятельности организма в определенное время, приводит к образованию в мозгу условных рефлексов на время. В результате привычное время еды настраивает организм на принятие и переваривание пищи, привычное время для работы — на соответствующую форму деятельности.
7. Закаливание организма
— важное условие ортобиоза. Под закаливанием понимают процесс приспособления организма к неблагоприятным внешним воздействиям, главным образом к ходовому фактору, причем приспособление это достигается путем использования естественных сил природы — солнечных лучей, воздуха, воды.
8. Физические упражнения, достаточный объем двигательной активности;
это — важнейший элемент физической культуры и правильного образа жизни.
ВАЛЕОЛОГИЯ
(лат. vale — стандартная для Древнего Рима форма приветствия «будь здоров»; греч. λόγος — учение) — это наука, или философско-религиозная концепция о здоровье, здоровом образе жизни, об адекватном реагировании организма на быстро меняющиеся реалии жизни.
Термин «валеология» был предложен для использования в современной образовательной и медицинской практике в начале 80-х гг. двадцатого столетия И.И. Брехманом.
Валеология изучает уровень, потенциал и резервы физического и психического здоровья, а также методики, средства, технологии сохранения и укрепления здоровья.
Предметом валеологии является индивидуальное здоровье человека как категория качества жизни. В отличие от других наук о человеке, здоровье определяется как самостоятельная категория, сущность которой может быть определена количественно и качественно, а также управляема на разных уровнях – физическом, психическом и социальном.
Валеология обучает качествам, необходимым для здоровой и успешной повседневной жизни, а также знакомит с психологическими ловушками личностного роста. В ней содержатся практические знания, необходимые на каждый день: управление временем, выработка необходимых для достижения успеха черт характера, обучение восприятию и пониманию партнёра, а также основные навыки психологии счастья и здоровья. В валеологии кратко излагаются практические советы и знания на каждый день, собранные из множества источников и систематизированные. Валеология включает упражнения и методики оздоровления организма.
38. Кибернетика (исходные понятия). Качественная характеристика информации
Кибернетика
(от греч. kybernetik — искусство управления) - это наука, занимающаяся исследованиями процессов управления сложными системами с обратной связью.
Она возникла на стыке математики, техники и нейрофизиологии, и ее интересует целый класс как живых, так и неживых систем, в которых существуют механизмы обратной связи. Основателем кибернетики считается американский математик Н. Винер
, выпустивший в 1948 г. книгу "Кибернетика".
Кибернетика изучает способы связи и модели управления, и в этом исследовании ей понадобилось ввести понятие информации
(от лат. informatio
— ознакомление, разъяснение) как меры организованности системы в противоположность понятию энтропии как меры неорганизованности. Понятие информации имеет такое большое значение, что оно вошло в заглавие нового научного направления, возникшего на базе кибернетики — информатики (соединение слов информация и математика).
С повышением энтропии уменьшается информация (поскольку все усредняется) и, наоборот, понижение энтропии увеличивает информацию. Связь информации с энтропией свидетельствует и о связи информации с энергией. Энергия
(от греч. energia
— деятельность) характеризует общую меру различных видов движения и взаимодействия.
Информация характеризует меру разнообразия систем. Хотя информация и энергия относительно обособлены друг от друга, тем не менее, они связаны между собой. Информация растет с повышением разнообразия системы. Одним из основных законов кибернетики является закон необходимого разнообразия: эффективное управление какой-либо системой возможно только в том случае, когда разнообразие управляющей системы больше разнообразия управляемой системы. Значит, чем больше мы имеем информации о системе, которой собираемся управлять, тем эффективнее будет проходить этот процесс.
Общее значение кибернетики обозначается в следующих направлениях:
1. Философское значение
— дает новое представление о мире, основанное на роли связи, управления, информации, организованности, обратной связи, целесообразности, вероятности.
2. Социальное значение
— дает новое представление об обществе как организованной целой системе.
3. Общенаучное значение
— дает новые понятия управления, методы исследования, формирует гипотезы о внутреннем составе и строении систем.
4. Методологическое значение
— изучая простые технические системы, выдвигает гипотезы о работе сложных систем (живых организмов, мышления людей).
5. Техническое значение
— создание ЭВМ, роботов, персональных компьютеров. ЭВМ и персональные компьютеры облегчают умственный труд, заменяя человеческий мозг в его наиболее простых и рутинных функциях. ЭВМ работают по принципу "да-нет", и этого оказалось достаточно для того, чтобы создать вычислительные машины, хотя и уступающие мозгу в гибкости, но превосходящие его по быстроте выполнения вычислительных операций. Если же будут построены не просто человекоподобные роботы, но и превосходящие его по уму, то это повод не только для радости, но и для беспокойства, связанного как с роботизацией самого человека, так и с проблемой возможного выхода машин из-под контроля людей и даже возможного порабощения ими человека.
Качественная характеристика информации.
Возможность и эффективность использования информации обусловливаются такими основными ее потребительскими показателями качества
,
как репрезентативность, содержательность, достаточность, доступность, актуальность, своевременность, точность, достоверность, устойчивость.
Репрезентативность
информации связана с правильностью ее отбора и формирования в целях адекватного отражения свойств объекта.
Содержательность
информации отражает семантическую емкость, равную отношению количества семантической информации в сообщении к объему обрабатываемых данных.
Достаточность (полнота)
информации означает, что она содержит минимальный, но достаточный для принятия правильного решения состав (набор показателей). Понятие полноты информации связано с ее смысловым содержанием (семантикой) и прагматикой. Как неполная, т.е. недостаточная для принятия правильного решения, так и избыточная информация снижает эффективность принимаемых пользователем решений.
Доступность
информации восприятию пользователя обеспечивается выполнением соответствующих процедур ее получения и преобразования.
Актуальность
информации определяется степенью сохранения ценности информации для управления в момент ее использования и зависит от динамики изменения ее характеристик и от интервала времени, прошедшего с момента возникновения данной информации.
Своевременность
информации означает ее поступление не позже заранее назначенного момента времени, согласованного с временем решения поставленной задачи.
Точность
информации определяется степенью близости получаемой информации к реальному состоянию объекта, процесса, явления и т.п.
Достоверность
информации определяется ее свойством отражать реально существующие объекты с необходимой точностью.
Устойчивость
информации отражает ее способность реагировать на изменения исходных данных без нарушения необходимой точности.
39. Концепции самоорганизации: синергетика
К установлению общего взгляда на процессы самоорганизации разные ученые шли различными путями. Автор самого термина "синергетика"
немецкий физик Герман Хакен
исследовал механизмы кооперативных процессов, которые происходят в твердом лазере. Он выяснил, что частицы, составляющие активную среду резонатора, под воздействием внешнего светового поля начинают колебаться в одной фазе. В результате этого между ними устанавливается когерентное, или согласованное, взаимодействие, которое в конечном итоге приводит к их кооперативному поведению.
Самоорганизация,
по определению Хакена, — спонтанное образование высокоупорядоченных структур из зародышей или даже хаоса, спонтанный переход от неупорядоченного состояния к упорядоченному за счет совместного, кооперативного (синхронного) действия многих подсистем.
Хакен считает, что название новой дисциплины синергетикой обусловлено тем, что в ней исследуются совместные действия многих элементов систем, и для нахождения общих принципов, управляющих самоорганизацией, необходимо кооперирование многих различных дисциплин. Таким образом, при самоорганизации из хаоса порождается порядок. Синергетика сформулировала принцип самодвижения в неживой природе, создание более сложных систем из более простых. Синергетика ввела случайность на макроскопический уровень, подтвердив тем самым выводы механики для микроскопического уровня. Синергетика подтвердила вывод теории относительности о взаимопревращении вещества и энергии и объясняет образование веществ. С точки зрения синергетики энергия как бы застывает в виде кристаллов, превращаясь из кинетической в потенциальную. Вещество — это застывшая энергия. Энергия — понятие, характеризующее способность производить работу, но энергия сейчас может пониматься не только в смысле механической работы, но и как созидатель новых структур.
Энтропия
— это форма выражения количества связанной энергии, которую имеет вещество. Энергия — творец, энтропия — мера творчества.
Синергетика отвечает на вопрос, за счет чего происходит эволюция в природе. Везде, где создаются новые структуры, необходим приток энергии и обмен со средой. Если в эволюции небесных тел мы видим результат производства, то в синергетике изучается процесс творчества природы. Синергетика подтверждает вывод теории относительности: энергия творит более высокие уровни организации.
Развитие понимается в синергетике как процесс становления качественно нового, того, что еще не существовало в природе и предсказать которое невозможно. Механизм, который ею предлагается, — это спонтанная флуктуация, событие в точке бифуркации, экспоненциальный процесс до определенного момента. Основным понятием предстает понятие неустойчивости
. Так из хаоса (неустойчивости)
рождается космос. Частицы порождаются энергией по модели, сформулированной в синергетике. Первые частицы, которые появились, были нестабильными элементарными частицами без массы покоя и с кратчайшим временем существования. Затем они превратились в стабильные, существующие и поныне. Итак, последовательность рождения материи из вакуума: спонтанность флуктуации —> точка бифуркации —> черные мини-дыры —>пространство-время —> частицы.
Квантовый вакуум отличается от "ничто" тем, что имеет универсальные постоянные, которые могут служить аналогом всеединства. Размеры Вселенной растут по экспоненте как следствие неустойчивости вакуума. В результате расширения Вселенной при зарождении материи Вселенная приближается к первоначальному состоянию вакуума. Потом возможна новая флуктуация.
Таким образом, если кибернетика решает проблему рождения разума, то синергетика — проблему рождения материи.
Необходимо подчеркнуть, что синергетика является научным направлением, изучающим открытые системы в состояниях, далеких от равновесия.
40. Искусственный разум: перспективы развития
Искусственный интеллект:
научное направление, в рамках которого ставятся и решаются задачи программного моделирования тех видов человеческой деятельности, которые традиционно считаются интеллектуальными (например, представление знаний, обучение, обобщение и т.п.).
Интеллект
— это способность решать интеллектуальные задачи путем приобретения, запоминания и целенаправленного преобразования знаний в процессе обучения на опыте и адаптации к разнообразным обстоятельствам.
Нахождение решения задач, относящихся к интеллектуальным, являются для человека вполне естественным. Подобного рода деятельность требует участия интеллекта человека.
Возникает вопрос: «Может ли машина мыслить? Может машина рассуждать, догадываться и делать выводы?»
Искусственный разум, конечно, на сегодняшний день еще не создан, но программы, решающие интеллектуальные задачи уже существуют.
То, что раньше казалось вершиной человеческого творчества - игра в шахматы, на сегодняшний день даже не относят к проблеме искусственного интеллекта. Человек в процессе игры в шахматы может выбрать победную комбинацию интуитивно, причем иногда довольно быстро, даже не рассматривая заведомо ведущих к выигрышу вариантов. Как и почему это происходит, неясно пока даже крупнейшим специалистам по изучению человеческого интеллекта, и тем более непонятно, сможет ли когда-нибудь искусственный разум действовать как человеческий? Решение этой задачи еще весьма далеко от завершения. Поэтому почти все шахматные программы, созданные к сегодняшнему дню, построены на основе распространенного принципа решения компьютерных задач: последовательного перебора возможных вариантов.
Область искусственного интеллекта, нашедшее наиболее широкое применение - нейронные сети.
Основная их особенность - это способность к самообучению на конкретных примерах.
Целесообразно использовать нейронные методы в заданиях, где много входных данных, в задачах: с неполной или «зашумленной» информацией, а также в таких, где решение можно найти интуитивно.
Нейросети применяются для предсказания рынков, оптимизации товарных и денежных потоков, анализа и обобщения социологических опросов, предсказание динамики политических рейтингов, оптимизации производственного процесса, комплексной диагностики качества продукции и для многого другого.
Перспективы развития.
Современное состояние исследований в области искусственного интеллекта характеризуется развитием следующих четырех глобальных направлений.
1. Во-первых, это направление, которое в самом широком смысле можно определить как проблему представления знаний и работы с ними
. Сюда относятся задачи создания специальных языков для представления знаний в вычислительных машинах; программных и аппаратных средств для манипулирования знаниями, с пополнением баз знаний, устранением в них противоречий; исследования в области создания специальных логик, позволяющих пополнять и обобщать сведения, хранимые в базе знаний (примеры - временная и пространственная логика, индуктивная логика для поиска закономерностей по набору конкретных примеров).
2. Второе глобальное направление, связанное с созданием и внедрением интеллектуальных систем, определяется как планирование целесообразного поведения
. В рамках этого направления решается задача создания так называемого "интеллектуального интерфейса". Речь идет о создании комплекса средств, которые позволили бы в будущем ставить для машин задачи, не выходя за рамки профессионального языка, которым обычно пользуются специалисты в той или иной проблемной области. В такой постановке задача планирования включает в себя проблемы, связанные как с формированием целей и их перестройкой, так и с созданием стратегий для достижения этих целей на основе имеющейся в базе знаний информации.
3. Содержание третьего глобального направления составляет цикл исследований по созданию средств коммуникации
, обеспечивающих общение человека и интеллектуальной системы на языке, максимально приближенном к обычному естественному языку. Здесь исследуются различные модели синтаксиса и семантики естественных языков, способы хранения знаний о языке в памяти искусственных интеллектуальных систем, проблемы анализа и синтеза текстов и способы построения специализированных лингвистических процессоров, осуществляющих перевод информации, содержащейся в поступающих в систему текстах ,в те внутренние представления, на которых строится работа других подсистем.
4. Четвертое глобальное направление исследований связано с изучением поведения интеллектуальных систем.
Здесь исследуются проблемы восприятия зрительной, акустической информации и информации других видов, поступающей из внешней среды, изучаются методы ее обработки, формирования ответных реакций на воздействия среды и способов адаптации искусственных систем к среде путем обучения. В частности, достигнуты значительные успехи в области анализа трехмерных зрительных сцен, построения систем типа "глазрука" или в области формализации таких элементов поведения, как эмоционально окрашенные поступки.
Выводы:
1) Искусственный интеллект, как область научных исследований, должен развиваться по пути создания человеко-машинных систем.
2) Главной проблемой, требующей своего решения, является обеспечение общения человека с машиной на естественном языке. Решение этой проблемы зависит от координации усилий ученых многих специальностей.
| ! | Шпаргалки для экзаменов Какие бывают шпаргалки, как их лучше подготовить и что писать. |
| ! | Делаем правильную шпаргалку Что представляет собой удобная и практичная шпаргалка, как ее сделать. |
| ! | Как воспользоваться шпаргалкой В какой момент лучше достать шпаргалку, как ей воспользоваться и что необходимо учесть. |
| → | Сдаем экзамены Что представляет собой экзамен, как он проходит. |
| → | Экзамен в виде тестирования Каким образом проходит тестирование, в чем заключается его суть. |
| → | Готовимся к экзаменам Как правильно настроиться, когда следует прекратить подготовку и чем заниматься в последние часы. |
| → | Боремся с волнением Как преодолеть волнение, как внушить себе уверенность. |
| → | Отвечаем на экзамене Как лучше отвечать и каким идти к преподавателю. |
| → | Не готов к экзамену Что делать если не успел как следует подготовиться. |
| → | Пересдача экзамена На какое время назначается пересдача, каким образом она проходит. |
| → | Микронаушники Что такое микронаушник или "Профессор .. ллопух ...". |
| → | выпускная работа бакалавра Требование к выпускной работе бакалавра. Как правило сдается на 4 курсе института. |
| → | магистерская диссертация Требования к магистерским диссертациям. Как правило сдается на 5,6 курсе обучения. |
| шпаргалки | Договор аренды |
| шпаргалки | Налог на прибыль организаций |
| шпаргалки | Шпаргалка по Страхованию |
| шпаргалки | Шпоры по анатомии и физиологии человека |
| шпаргалки | Правапіс не,ня,ні з рознымі часцінамі мовы |
| шпаргалки | Предмет и метод бухгалтерского учета |
| шпаргалки | Учет основных средств |
| шпаргалки | Учет собственного капитала |
| шпаргалки | Кредитный договор |
| шпаргалки | Некоммерческие организации |
| шпаргалки | Понятие и признаки государства. |
| шпаргалки | Договор подряда. Общие положения |
| шпаргалки | Закон денежного обращения |
| шпаргалки | Понятие, признаки, виды юридических лиц. |
| шпаргалки | Анализ дебиторской и кредиторской задолженностей |
| шпаргалки | Оценка системы внутреннего контроля |
| шпаргалки | Виды налогов |
| шпаргалки | Внутригосударственные и международные механизмы защиты прав человека, хар-ка, сравнение |
| шпаргалки | Функции финансов |
| шпаргалки | Понятийно-категориальный аппарат логопедии |