Концепции современного естествознания
реклама
ИНСТИТУТ ЭКОНОМИКИ, УПРАВЛЕНИЯ И ПРАВА Шевченко И.В. Концепции современного естествознания Учебно-практическое пособие Рекомендовано экспертным советом по дистанционному образованию Института экономики, управления и права в качестве учебно-практического пособия для систем высшего и дополнительного образования КАЗАНЬ 2008 Аннотация ……………………………………………………………………..6.. Требования ГОС к обязательному минимуму содержания основной образовательной программы по дисциплине «Концепции современного естествознания»………………………………………………………………….7 ….. Введение…………………………………………………………………………...8 Тема 1. Естественнонаучная и гуманитарная культуры. Наука и её роль в современном мире………………………………………………………………9 1.1 Культура. Специфика естественнонаучной и гуманитарной культур..9 1.2 Наука и её роль в современном мире. Естественные и гуманитарные науки………………………………………………………………………9 Тема 2.История развития естествознания. Панорама современного естествознания………………………………………………………………….11 2.1 История естествознания. Понятие о научных революциях…………11 2.2 Панорама и важнейшие достижения современного естествознания..15 2.3 Тенденции развития современного естествознания………………….17 Тренировочный тест по темам 1-2……………………………………………18 Контрольные вопросы по темам 1-2…………………………………………19 Тема 3. Естественнонаучное познание. Научный метод,…………………..20 3.1 Естественнонаучное познание и его структура……………………...20 3.2 Методы естественнонаучного познания…………………………… 20 3.3 Принципы познания в естествознании: причинность, наблюдаемость, отбор, симметрия. Критерии научности…………………………………….22 3.4 Состояние физической системы………………………………………24 3.5 Динамические и статистические закономерности в природе………24 3.6 Термодинамический метод исследования макросистем. Понятие об энтропии………………………………………………………………….26 3.7 Процессы самоорганизации в природе. Понятие о синергетике…..28 Тренировочный тест по теме 3………………………………………………30 Контрольные вопросы по теме 3…………………………………………… 31 Тема 4. Фундаментальные концепции физического описания природы…31 4.1 Материя. Движение. Взаимодействия. Дальнодействие и близкодействие……………………………………………………….31 4.2 Корпускулярные и континуальные концепции описания природы.34 4.3 Концепции пространства и времени…………………………………35 4.3.1 Основные свойства пространства и времени…………………..35 4.3.2 Пространство и время в классической механике. Механический Принцип относительности Галилея……………………………..36 4.3.3 Пространство и время в свете теории относительности Эйнштейна………………………………………………………………………37 Тренировочный тест по теме 4……………………………………………….40 Контрольные вопросы по теме 4…………………………………………… 41 Тема 5. Естественнонаучная картина мира………………………………….41 5.1 Особенности современной естественнонаучной картины мира…..43 3 5.2 Структурные уровни организации материи…………………………..44 5.3 Корпускулярно-волновой дуализм света……………………………45 5.4 Концепции микромира………………………………………………..46 5.4.1 Основные идеи и принципы квантовой механики…………….47 5.4.2 Эволюция представлений о строении атома………………… 49 5.4.3 Строение атомного ядра. Понятие о кварках и ускорителях элементарных частиц……………………………………………50 5.5 Концепции мегамира………………………………………………….53 5.5.1 Современные представления о Вселенной……………………53 5.5.2 Структура Вселенной…………………………………………...54 5.5.3 Солнечная система………………………………………………57 5.5.4 Земля – планета Солнечной системы…………………………61 5.5.5 Антропный принцип. Тонкая подстройка Вселенной……… .64 Тренировочный тест по теме 5……………………………………………….65 Контрольные вопросы по теме 5……………………………………………..66 Тема 6. Химические концепции………………………………………………67 6.1 Место химии в современном естествознании……………………..67 6.2 Химический элемент. Химические вещества……………………...68 6.3 Химические связи……………………………………………………69 6.4 Химические реакции. Реакционная способность………………….70 6.5 Биохимические концепции………………………………………….71 Тренировочный тест по теме 6……………………………………………….73 Контрольные вопросы по теме 6……………………………………………..74 Тема 7. Биологические концепции…………………………………………...74 7.1 Концепции возникновения жизни………………………………….75 7.2 Сущность живого, его основные признаки……………………….77 7.3 Структурные уровни живого……………………………………….78 7.4 Клетка как «первокирпичик» живого. Понятие о стволовых клетках…………………………………………………………………………80 7.5 Механизм управления клеткой…………………………………….83 7.6 Генетика. Генная инженерия……………………………………….85 7.7 Принципы эволюции, воспроизводства и развития живых систем..88 7.8 Понятие о биоэтике………………………………………………….91 Тренировочный тест по теме 7………………………………………………..94 Контрольные вопросы по теме 7……………………………………………..95 Тема 8. Происхождение и эволюция человека……………………………...95 8.1 Человек как предмет естественнонаучного познания…………..95 8.2 Возникновение человека ( антропогенез )……………………….96 8.3 Биологическое и социальное в историческом и индивидуальном развитии человека………………………………………………… 99 8.4 Сознательное и бессознательное в человеке…………………….100 8.5 Человек: индивид и личность…………………………………….102 Тренировочный тест по теме 8. ……………………………………………104 Контрольные вопросы по теме 8……………………………………………105 4 Тема 9.Биосфера. Учение В.И.Вернадского о биосфере. Ноосфера…….106 9.1 Человек и биосфера. Ноосфера…………………………………107 9.2 Человек и космические циклы. Необратимость времени……..108 Тренировочный тест по теме 9………………………………………………109 Контрольные вопросы по теме 9……………………………………………110 Литература……………………………………………………………………110 Итоговый тест для контроля знаний………………………………………... 112. Вопросы для подготовки к зачёту………………………………………… 120 Примерная тематика рефератов и презентаций……………………………121 Глоссарий……………………………………………………………………..122 Список цитируемой литературы……………………………………………122 Об авторе Шевченко Инна Викторовна. Окончила физико-математический факультет Саратовского государственного педагогического института, очную аспирантуру по кафедре молекулярной спектроскопии. Кандидат физикоматематических наук, доцент. Работала заведующей кафедрой физики в Саратовском высшем военном инженерном училище ракетных войск, затем в Казанском артиллерийском университете, в настоящее время – доцент Казанского института экономики, управления и права. Автор более семидесяти научных статей и учебно-методических пособий, из них более десяти статей опубликованы в академических журналах. E-mail : Shevchenko_iv @mail.ru Тел.(8432) 273-18-57 Аннотация Дисциплина «Концепции современного естествознания» является одной из фундаментальных в современной системе подготовки высококвалифицированных специалистов, осуществляемой ВУЗами. Концептуальные естественнонаучные знания всё более проникают в гуманитарную сферу, они дают представление о структуре и свойствах окружающего мира, о месте Человека в этом мире, способствуют выработке 5 адекватного отношения к нему. Естественные науки позволяют не только создавать новейшие технологии, но и способствуют формированию научного мировоззрения и особого типа рационального мышления у людей, профессиональная деятельность которых не имеет прямого отношения к естествознанию: экономистов, юристов, психологов, менеджеров и т.п. Концептуальные знания о важнейших достижениях современного естествознания необходимы любому образованному человеку независимо от рода его деятельности. Курс «Концепции современного естествознания» позволяет студентам на основе полученных знаний сформировать представление о современной естественнонаучной картине мира, а также противостоять получившим распространение в последнее время антинаучным взглядам, псевдонаукам типа астрологии, магии, эзотерических учений и т.д. Методологическим стержнем курса является эволюционносинергетическая парадигма, которая органически объединяет принципы универсального эволюционизма и самоорганизации и поможет студентам осмыслить диалектику развивающегося мира как единой целостной системы. При рассмотрении основных концепций физики, химии, биологии и других естественных наук студенты встретятся со специфической терминологией ( выделено курсивом), толкование которой даётся в конце учебного пособия в глоссарии . МЕТОДИЧЕСКИЕ РЕКОМЕНДАЦИИ Уважаемый студент дистанционной формы обучения! Мы уверенны в том, что Вы осознанно выбрали такую форму получения образования, а это значит, что в Вашей учёбе большая доля времени должна быть отведена на с а м о с т о я т е л ь н у ю р а б о т у . Знания не приходят сами по себе, их нужно усердно добывать, и у Вас всё получится ! В предлагаемом Вам пособии излагается материал по девяти темам. В конце тем даются тесты для самопроверки ( тренировочные) и контрольные вопросы. В конце пособия приведены тесты по всему курсу. Для получения зачёта по дисциплине Вам необходимо из каждой темы выбрать по одному вопросу и дать на него ответ в объёме не более 1,5 страниц. Получится всего 9 ответов. Ответы по темам можно заменить презентациями (2-3). Затем проработать тест в конце пособия и отметить в нём правильные ответы. Весь этот материал Вы перешлёте по электронной почте своему преподавателю (тьютору). Если по какой-либо причине такая форма отчётности Вам покажется неудобной, то можно сдавать зачёт в традиционной форме – по билетам. Для этого в конце пособия приведены вопросы для подготовки к зачёту. 6 Не ограничивайтесь материалом в электронном варианте. Обязательно используйте литературу, которая указана в конце пособия – автора выберите сами. ТРЕБОВАНИЯ ГОС К ОБЯЗАТЕЛЬНОМУ МИНИМУМУ СОДЕРЖАНИЯ ОСНОВНОЙ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЙ ПРОГРАММЫ ПО ДИСЦИПЛИНЕ «КОНЦЕПЦИИ СОВРЕМЕННОГО ЕСТЕСТВОЗНАНИЯ» Естественнонаучная и гуманитарная культуры; научный метод; история естествознания; тенденции развития; корпускулярная и континуальная концепции описания природы; порядок и беспорядок в природе; хаос; структурные уровни организации материи; микро-, макро- и мегамиры; пространство, время; принципы относительности; принципы симметрии; законы сохранения; взаимодействие, дальнодействие; состояние; принципы суперпозиции, неопределённости, дополнительности; динамические и статистические закономерности в природе; законы сохранения энергии в макроскопических процессах; принцип возрастания энтропии; химические процессы, реакционная способность веществ; внутреннее строение и история геологического развития Земли; современные концепции развития геосферных оболочек; литосфера как абиотическая основа жизни; экологические функции литосферы: ресурсная, геодинамическая, геофизико-геохимическая; географическая оболочка Земли; особенности биологического уровня организации материи; принципы эволюции, воспроизводства и развития живых систем; многообразие живых организмов – основа организации и устойчивости биосферы; генетика и эволюция; человек, биосфера и космические циклы; ноосфера, необратимость времени, самоорганизация в живой и неживой природе; принципы универсального эволюционизма; путь к единой культуре. Используемые в тексте сокращения СТО – специальная теория относительности; ОТО – общая теория относительности; ЕНКМ – естественнонаучная картина мира; ТСВ – тепловая смерть Вселенной; БВ – большой взрыв; ДНК – дезоксирибонуклеиновая кислота; РНК – рибонуклеиновая кислота; ГМ – генно-модифицированный. 7 ВВЕДЕНИЕ Окружающий нас мир природы не перестаёт удивлять нас своим разнообразием. В нём есть место порядку и хаосу, гармонии и катастрофам, бесконечно малому и бесконечно большому, живому и неживому, красивому и безобразному, простому и сложному. Нас поражает целесообразность и гармония, царящие во всём этом многообразии природы, но, по выражению великого Эйнштейна, «самое удивительное свойство нашего мира- это то, что он познаваем». Современные науки (физика, химия, биология, социальные науки) дают нам частичные знания о мире, но жизнь во Вселенной не расчленена на отдельные процессы, она представляет собой органическое целостное единство. Дисциплина Концепции современного естествознания и предназначена для формирования целостного научного мировоззрения, для понимания современной естественнонаучной картины мира. ТЕМА 1. Естественнонаучная и гуманитарная культуры Наука и её роль в современном мире 1.1 Культура. Специфика естественнонаучной и гуманитарной культур. Одной из отличительных особенностей человеческой жизнедеятельности является то, что она проходит не только в естественном мире ( в мире природы), но и в том мире, который человек создаёт себе сам – в мире культуры. Под культурой в широком смысле понимается совокупность материальных и духовных ценностей, создаваемых веками человеком и человечеством. Это достижения в социальной, производственной, научной, технической, интеллектуальной деятельности. Все достижения материальной и духовной культуры вместе с носителями этой культуры, т.е людьми, составляют цивилизацию. Самостоятельными составляющими духовной культуры являются наука, искусство, религия. Мир человеческой культуры существует не обособленно от природы, а внутри неё. Любой объект культуры имеет природную основу и социальное содержание. Результатом этой двойственности и явилось возникновение двух типов культуры: естественнонаучной и гуманитарной., которые почти до середины 20-го века развивались параллельно, нигде не пересекаясь. По мнению Ч.П.Сноу, духовный мир интеллигенции раскололся на две противоположные части. На одном полюсе – художественная интеллигенция («лирики»), на другом – учёные («физики») Такое противостояние имело отрицательные последствия, одним из которых можно считать, например, наметившийся экологический кризис как результат дисбаланса естествознания (с соответствующими новыми технологиями) и этическими и 8 эстетическими нормами. С середины 20-го века намечается тенденция к сближению естественной и гуманитарной культур. 1.2 Наука и её роль в современном мире. Естественные и гуманитарные науки Из всех видов знаний, доступных человеку, наиболее точными, а, следовательно, и наиболее ценными для успеха в его деятельности, являются н а у ч н ы е знания, специфика которых состоит в следующем: 1) Наука представляет собой знания объективные, она стремится познать окружающий мир таким, каков он есть, не отдавая предпочтений никаким явлениям, не преуменьшая их и не преувеличивая. Человек науки должен быть равнодушен и невозмутим по отношению к окружающему миру. 2) Наука представляет собой знания рациональные, т.е. обоснованные и доказательные. Для этого служит набор научных методов (наблюдения, эксперимент, логические умозаключения и т.д.). 3) Научное знание системно. Наука это не совокупность отрывочных знаний, а стройная система принципов, положений, которые связаны между собой и не противоречат друг другу. Основное предназначение науки - систематизация, упорядочение сложных явлений окружающего мира, она связана с познавательной деятельностью людей, является формой общественного сознания и непосредственной производительной силой; наука напрямую участвует в образовании и профессиональной подготовке специалистов, она является проявлением информационной сущности общества, базовым показателем национальной культуры, гарантом прогрессивного развития государства. Наука является одним из способов постижения мира. Основная задача научного знания заключается в обнаружении объективных законов действительности, исследовании, в первую очередь, общих, существенных свойств предмета или явления, их необходимых характеристик и их выражении в системе абстракций. Без этого не может быть науки, т.к. само понятие научности предполагает открытие законов, углубление в сущность изучаемых явлений. Науки тоже принято подразделять на естественные и гуманитарные. Естественные науки это науки о природе (физика, химия, биология, астрономия и др.), они позволяют познавать окружающий нас мир природы, они составляют теоретическую основу техники, медицины, современных технологий (нанотехнологии, биотехнологии), являются научным фундаментом философского материализма. Как правило, естественные науки подкреплены математикой, поэтому их называют т о ч н ы м и науками. Но есть исключения. Например, в настоящее время естественнонаучные знания являются определяющим фактором в экономике – базовым ресурсом, орудием конкуренции. Человек, способный умело и эффективно управлять – менеджер, должен обладать всесторонними фундаментальными знаниями, среди которых важнейшую роль играют естественнонаучные знания. 9 Естественнонаучные знания нередко называют интеллектуальным капиталом. Гуманитарные науки – это науки о человеке, общественном бытии и сознании. К ним относятся история, филология, обществознание и многие другие, которые представляют человеческую и культурную реальность. Есть науки пограничные, например, психология. Методологическое сопоставление естественных и гуманитарных наук часто даёт замечательные научные результаты. Например, современное естествознание невозможно представить без статистических методов исследования, но зародились они в гуманитарных науках, в трудах социологов-экономистов. Междисциплинарный подход становится особенно важным в современной науке, где социальное и естественнонаучное понимание имеют единую конечную цель – достичь истинного знания. Гармония Человека и Природы может быть достигнута только в единстве естественнонаучной и гуманитарной культур, результатом которого должно быть формирование единой науки о человеке, обществе, государстве, природе и жизни. ТЕМА 2. История развития естествознания. Панорама современного естествознания. 2.1 История естествознания. Понятие о научных революциях Современное естествознание своими корнями уходит в античный мир древних Греции и Рима. Древнегреческие мыслители – натурфилософыстремились дать целостную картину мира, опираясь на свои вымыслы, догадки, умозрительные представления. Их взгляды во многом были ошибочными, но поиски ответов на многие поставленные ими вопросы привели в будущем к появлению зачатков естественных наук. Назовём наиболее видных представителей натурфилософии. Аристотель (384-322 г г. до н.э.) в своих трудах стремился создать законченную картину мира, его научные интересы касались физики, математики, астрономии, биологии, он заложил основы логики. Он исходил из того, что весь окружающий мир на Земле состоит из четырёх первоначал, «стихий» - это земля, вода, воздух и огонь. Небо в своей основе имеет пятый элемент – эфир. У него было своё трактование понятий материи, движения, пространства, времени. Учение Аристотеля было противоречивым, содержащим большое количество научных заблуждений, но в целом оно находило поддержку у античных мыслителей и оставалось авторитетным на протяжении многих веков. Заслуга Аристотеля состоит не только в том, что его труды дали начало естествознанию в целом, но и в том, что они выдвинули целый ряд вопросов, ответить на которые смогли учёные через тысячи лет. Демокрит (460-370 г.г. до н.э.) считается основоположником атомистической концепции. Именно он ввёл представление об атомах как 10 о мельчайших, неделимых «первокирпичиках» материи, которые имеют разную форму и находятся в непрерывном движении. Эпикур (341-270г.г. до н.э.) дополнил и углубил атомистическое учение Демокрита, выдвинув гипотезу о том, источник движения атомов находится в них самих. Лукреций ( 99-55 г.г. до н.э.), поддерживая взгляды Демокрита и Эпикура, написал поэму «О природе вещей» ( 6 книг), где в стихотворной форме выдвинул ряд новых идей, касающихся строения вещества, закона сохранения вещества, хаотического движения молекул и т.д. В конце 6-го века до н.э. в Древней Греции сложилось первое в истории человечества научное сообщество – Пифагорейский союз, основателем которого был Пифагор (580-500 г.г до н.э.). Основное мировоззренческое положение Пифагора : мир есть число. В древнегреческой культуре – в её научной ветви_ развивалась в основном математика. Пифагорейцы заложили основы такого представления о мире и способах его познания, в соответствии с которыми математика является ключевым инструментом познания. Значительный вклад в развитие античной математики внёс систематизатор математической науки и педагог Евклид ( 3 в. до н.э.), труды которого позволили создать стройную геометрическую теорию – известную в настоящее время евклидову геометрию, описывающую метрические свойства пространства. Архимед (287-212г.г. до н.э.) своими трудами в области статики и гидростатики дал образцы применения математики в естествознании и технике. Современное естествознание невозможно представить без знания закона Архимеда (о выталкивающей силе, действующей на тело, погруженное в жидкость или газ), механику – без представлений о центре тяжести, о различных системах рычагов и блоков для поднятия тяжёлых тел, без полиспаста, планетария (прибор, который наглядно показывает движение небесных тел) и т.д. Древнегреческий астроном Птолемей (ок.90 –ок.160г.г.), используя взгляды Анаксимандра и Аристотеля, разработал геоцентрическую систему мира, которая просуществовала примерно 1,5 тысячи лет. К этому времени относится возникновение двух религий: в 1 веке зародилось христианство (как религия угнетённых), а в 7 веке - ислам. Эпоха средневековья в Европе характеризуется закатом грекоримской культуры и усилением влияния церкви на все стороны духовной жизни общества. Вплоть до 12-13вв европейская культура переживала период упадка. В то же время на Востоке отмечается прогресс научных знаний, труды древнегреческих мыслителей были переведены на арабский язык. В 12 веке были открыты университеты (Парижский, Оксфордский, Кембриджский), но изучалось в них исключительно богословие. Естествознание в современном понимании ещё не сформировалось – это был 11 преднаучный период, когда ещё не были открыты объективные законы природы. Начиная с 16, в характер научного прогресса существенно меняется – идёт не просто накопление научных знаний, а возникают переломные моменты, кризисы, выход из которых приводит к новому видению мира. В генезисе научного знания эти переломные этапы получили название научных революций. Первая научная революция произошла в эпоху возрождения (конец 15 в. – начало 16в.). Произошло не просто возрождение культурных ценностей античности, а создавалась новая культура – развивалось искусство, утверждались идеи гуманизма, существенным был научный прогресс. Одним из революционных факторов было создание польским астрономом, каноником и доктором богословия Николаем Коперником (1473-1543 г.г.) гелиоцентрической системы мира, согласно которой отвергалась модель мироздания Птолемея. Используя идеи древнегреческого философа и астронома Аристарха Самосского (320-250 до н.э.), Коперник совершил переворот в естествознании. По его системе мироздания в центре Вселенной находится не Земля, а Солнце, а сама Земля вместе с другими планетами и звёздами вращаются вокруг Солнца. Недостатком его модели было представление о том, что Вселенная ограничена твёрдой сферой, на которой закреплены неподвижные звёзды. Существенной чертой гелиоцентрической системы Коперника была идея всеобщего движения как всеобщем свойстве небесных объектов. Одним из активных сторонников учения Коперника был итальянец Джордано Бруно (1548-1600г.г.), который представлял Вселенную бесконечной с множеством тел, подобных Солнцу, и окружающих его планетах. Инквизиция, опасаясь распространения идей Бруно, в 1592 году арестовала его и спустя 8 лет нахождения в тюрьме как нераскаявшегося еретика его сожгли на костре на Площади цветов в Риме. В 16 в. зародилась классическая механика и экспериментальное естествознание в целом. Этому способствовали труды Коперника, Галилея, Леонарда да Винчи, Кеплера, Ньютона, Гюйгенса, Эйлера, Лагранжа, Ломоносова и др., которые положили начало формированию механистической картины мира и подготовили вторую научную революцию. Итальянский физик, астроном и математик Галилео Галилей (15641642 г.г.) заложил основы классической механики, решив самую фундаментальную проблему - проблему движения. Он выдвинул идею об относительности движения и сформулировал принцип относительности, установил закон инерции, исследовал свободное падение тел, проводил астрономические исследования. Он построил телескоп (трубу Галилея) с 32кратным увеличением и открыл спутники Юпитера, фазы Венеры, пятна на поверхности Солнца и горы на Луне. Галилей был активным защитником идей Коперника о гелиоцентрической картине мира, которая постоянно 12 подвергалась нападкам со стороны католической церкви. За это Галилей был подвергнут суду инквизиции, которая вынудила его публично отречься от гелиоцентрического учения. Астрономическое учение Галилея было развито немецким математиком и астрономом Иоганном Кеплером (1571-1630 г.г.). Вместо круговых движений планет он ввёл представления об эллиптических орбитах и установил три закона движения планет вокруг Солнца ( три закона Кеплера). Как и Галилей, Кеплер был сторонником гелиоцентрической системы мира, поэтому значительная часть его научных трудов была занесена Ватиканом в список запрещённых книг. Английский физик Исаак Ньютон (1643-1727г.г.) продолжил и завершил работы Галилея по созданию классической механики. Ньютон сформулировал три закона механики, а также открытый им закон всемирного тяготения. Это поистине универсальный закон, которому подчиняются все тела, как самые малые, так и самые большие; как земные, так и небесные. Исаак Ньютон Его главным научным трудом были «Математические начала натуральной философии», которые заложили основы современной физики и предопределили направление развития физики и всего естествознания на столетия вперёд. Учёные-естествоиспытатели считали классическую механику прочным незыблемым основанием естествознания. Такой подход обусловил господство механистического мировоззрения, которое преобладало в естествознании вплоть до 20 века. Третья научная революция связывается с работами Иммануила Канта (1724-1804 г.г.), Пьера Лапласа (1749-1827 г.г.). Жоржа Кювье (17691832 г.г.), Батиста Ламарка (1744-1829 г.г.), Чарлза Дарвина (1797-1875 г.г.), Дмитрия Ивановича Менделеева (1834-1907 г.г.) и др. Немецкий философ Иммануил Кант и французский математик и астроном Пьер Лаплас независимо друг от друга предложили 13 космогоническую гипотезу возникновения Солнечной системы из газовой туманности, которая получила название гипотезы Канта-Лапласа. Французский естествоиспытатель Жорж Кювье связывал развитие нашей планеты с происходящими на ней катастрофами, всемирными катаклизмами (глобальные наводнения, подъём и опускание материков, разломы земной коры и пр.), которые изменяли геологические условия и видовой состав растительного и животного мира. Эта концепция известна в науке как катастрофизм Кювье. Прямо противоположной была концепция французского естествоиспытателя Ламарка - сторонника эволюционной теории, который считал движущей силой эволюции живого мира плавно изменяющиеся условия окружающей среды. Главная идея его учения состоит в том, что приобретённые под влиянием внешней среды функциональноморфологические изменения в живых организмах передаются по наследству. Таким образом, Ламарк был создателем первой целостной систематической (хотя и ошибочной) концепции эволюции живой природы. В отличие от умозрительной концепции Ламарка, Дарвин создал своё эволюционное учение, основанное на анализе огромного фактического материала. Дарвин утверждал, что органический мир без саморазвития не существует и развитие является необходимым условием существования вида, условием его адаптации к окружающей среде. Согласно его гипотезе, виды с их относительно целесообразной организацией, возникли и возникают в результате отбора и накопления качеств, полезных для организмов в их борьбе за существование. В результате конкуренции особи хуже приспособленных видов вымирают. Эволюционистская теория Дарвина тоже имела ряд существенных недостатков. В 1869 году русский химик Д.И.Менделеев опубликовал работу, в которой был изложен принцип построения периодической системы элементов (в будущем этот принцип был подкорректирован законами квантовой физики). Периодическая система Менделеева дала возможность не только систематизировать известные, но и предвидеть существование новых, ещё неизвестных химических элементов и точно предсказать их основные свойства. Процесс заполнения таблицы Менделеева продолжается и в настоящее время. В 18 веке наступил период очищения естествознания от натурфилософских, метафизических представлений, основанных на рассмотрении явлений в их неизменности и независимости друг от друга, отрицающих внутренние противоречия как источник их развития. К таким понятиям и представлениям относятся флогистон (как материальная субстанция, обеспечивающая горение), теплород (особый фантастический вид »жидкости», ответственной за тепловые явления,), жизненная сила, эфир и др. Это очищение явилось результатом работ таких учёных как А.Лавуазье, М.В.Ломоносов, Велер, Майер, Ампер, Майкельсон и др. Последняя научная революция произошла в 20 веке в результате тех открытий в естествознании, которые способствовали коренному изменению 14 ранее существовавшего естественнонаучного мировоззрения. Далее будут рассмотрены основные открытия в естествознании 20 века. 2.2 ПАНОРАМА И ВАЖНЕЙШИЕ ДОСТИЖЕНИЯ СОВРЕМЕННОГО ЕСТЕСТВОЗНАНИЯ В античной философии возникла идея атомизма, согласно которой все вещества состоят из атомов, находящихся в постоянном движении и взаимодействующих между собой. Вплоть до конца 19 века атом считался пределом деления вещества. Однако после открытия в 1897 году явления радиоактивности стало ясно, что атом имеет сложное строение. Исторически первой была планетарная модель атома, согласно которой атом состоит из протонов и нейтронов, которые, в свою очередь, состоят из кварков, свойства которых изучает квантовая хромодинамика. Развитие атомной физики привело к открытию реакций деления тяжёлых атомных ядер и синтезу лёгких, которые привели к созданию атомной и водородной бомб. Реакции деления заложили основу ядерной энергетики, а проблему управляемой промышленной термоядерной реакции предстоит ещё решить. К началу 20 века было известно всего несколько элементарных частиц: это электрон, протон, фотон и нейтрон. К концу 20 века стало известно более 350 элементарных частиц, что привело к появлению физики элементарных частиц. У микрочастиц были обнаружены особые свойства, которые не позволяли применять к ним законы классической физики. Трудами таких учёных, как М.Планк, Н.Бор, Борн, Э.Резерфорд, Гейзенберг, де Бройль, Шредингер были заложены основы физики микромира – квантовой механики. В основе этой физической теории лежит представление о том, что каждой частице материи присущи и свойства волны (так называемый корпускулярно-волновой дуализм материи ). В 20 веке изменились представления о пространстве и времени. Этому способствовало опубликование Альбертом Эйнштейном (1879-1955 г.г.) теории относительности (специальной и общей), выводы которой казались противоречащими «здравому смыслу». Свойства пространства и времени перестали считаться абсолютными, они связаны не только между собой, но и со свойствами материи. Общая теория относительности была положена в основу современной релятивистской космологии, которая предсказала, а американский астрофизик Эдвин Хаббл (1889-1953 г.г.) экспериментально обнаружил факт расширения нашей Вселенной. Значительный вклад в современное естествознание вносят исследования в области молекулярной биологии. В 1953 году англичанин Ф.Крик и американец Д.Уотсон расшифровали структуру молекулы ДНК, что позволило установить природу гена. Расшифрован генетический код, выявлены и исследованы механизмы и пути образования белка в клетке. 15 Началась расшифровка геномов растений и животных. К 2001 году закончилась расшифровка генома человека. Были начаты опыты по клонированию растений и животных, которые открывают путь к клонированию органов и тканей. Важнейшим событием в развитии генетики стало открытие мутаций - возникающих внезапно изменений в наследственной системе организмов. Современный уровень знаний позволяет не только понять эти тонкие процессы, но и использовать их в нужных целях в генной инженерии. Открытия в естествознании 20 века подготовили и обеспечили научно-техническую революцию, которая в значительной мере определила характер социальных процессов и дала развитие таким техническим направлениям, как атомная энергетика, ракетно-космическая техника, электронно-вычислительная техника. Теперь на повестке дня стоят нано- и биотехнологии. За выдающиеся открытия в естествознании в 20 веке начала присуждаться Нобелевская премия, которая является самой престижной международной наградой. Учредителем этой премии был шведский химик, изобретатель и предприниматель Альфред Нобель (1833 – 1896). «Моё непременное требование,- писал Нобель,- заключается в том, чтобы при присуждении премии национальность претендентов не имела никакого значения, а получали бы её самые достойные.» Первым лауреатом Нобелевской премии по физике стал немецкий исследователь Вильгельм Рентген за открытие излучения, получившего его имя. Наша страна дала миру более двадцати лауреатов Нобелевской премии, среди которых Л.Д.Ландау – за исследования по теории конденсированных сред, в особенности жидкого гелия; Н.Г.Басов и А.М.Прохоров – за фундаментальные исследования в области квантовой электроники, которые привели к созданию лазеров и мазеров; П.Л.Капица – за открытия в области физики низких температур; Ж.И.Алфёров – за развитие гетероструктур для высокоскоростной и оптической электроники; В.Л.Гинзбург –за пионерский вклад в теорию сверхпроводимости и сверхтекучести. На основе сверхпроводимости созданы магниты ускорителей заряженных частиц, магнитно-резонансные томографы, сильноточные цепи питания промышленных установок и др. 16 17 2.3 ТЕНДЕНЦИИ РАЗВИТИЯ СОВРЕМЕННОГО ЕСТЕСТВОЗНАНИЯ Общими закономерностями современного этапа развития естествознания являются следующие: 1. Стремительное увеличение объёма научной информации – за каждые 10-15 лет она удваивается, т.е. объём научной информации растёт по экспоненте. 2. Идут процессы дифференциации и интеграции наук, которые в научной деятельности находятся в единстве, взаимно дополняют друг друга. Со времён античности, когда все знания о природе были объединены в общее понятие натурфилософии, по мере накопления знаний началось их разделение, дробление на более мелкие разделы и подразделы. Например, знания о наиболее общих свойствах материального мира привели к возникновению физики, которая постепенно дифференцировалась и возникло семейство таких наук, как механика, электродинамика, оптика, молекулярная 18 физика и т.д. Так же интенсивно делились и химия (на органическую, неорганическую, аналитическую и т.д.), и биология, которая в настоящее время включает в себя более пятидесяти научных дисциплин. Дифференциация научных знаний продолжается и в настоящее время, однако по мере накопления частных знаний всё очевиднее становится необходимость объединения (интеграции) достижений и методов разных наук для понимания сложных природных систем. Процессы интеграции происходят через возникновение так называемых пограничных наук: биофизики, биохимии, астрофизики, химической термодинамики, инженерной психологии, космической медицины и т.д. Ярким примером интеграции в науке является возникновение с и н е р г е т и к и - науки о процессах самоорганизации в открытых неравновесных системах различной природы (в физических, химических, социально-экономических, геополитических и др.). 3. Научный прогресс неразрывно связан с прогрессом экспериментальной базы, измерительной техники, с информационным обеспечением. Современная техника позволяет проникнуть в тайны микромира (электронные микроскопы, компьютерные томографы,, рентгенографические, ультразвуковые, электронографические и другие методы исследования); современные космические аппараты, радиотелескопы, зонды, международные космические станции позволяют получать научную информацию не только об околоземном пространстве, но и удалённых на большие расстояния космических объектах Вселенной. Практически фантастические возможности для обмена информацией даёт Всемирная система общедоступных электронных сетей («Интернет»). Тренировочный Т Е С Т по темам 1,2 1.К естественным относятся следующие науки: 1) математика, экономика, психология; 2) история, литература, социология; 3) физика, химия, биология. 2.Концептуальный принцип изучения естествознания: 1)позволяет получить фундаментальные, комплексные знания о природе, а на их основе более глубоко изучить узкоспециализированные дисциплины; 2) позволяет получить знания о природе в общих чертах; 3)позволяет выбрать наиболее интересные знания о природе. 3.В современном понимании управление состоит: 1) в практическом использовании полученных знаний; 19 2) в поиске наиболее эффективных способов систематического и целенаправленного применения имеющихся знаний для получения ожидаемых результатов; 3) в умении видеть конечную цель. 4.Сверхзадача естествознания как единой науки о природе состоит: 1) в обеспечении индивидуального понимания мира; 2) в объяснении природных явлений; 3) в объективном объяснении сущности социальных явлений. 5. Для естественных наук характерно (а): 1)истолкование, интерпретация явлений, которые не сводятся полностью к рациональным началам; 2) индивидуальное понимание мира; 3) высокая степень объективности и достоверности. 6. Псевдонаука- это: 1)алхимия, астрология , хиромантия, кибернетика; 2) деятельность, которая представляясь научной, не является таковой по своему содержанию, методам или результатам; 3)результаты деятельности верующих учёных. 7. Наука в современном смысле этого слова возникла: 1) в античном мире ( в древних Греции и Риме); 2) в 17-18 веках; 3) в 20 веке. 8. Тенденции развития современного естествознания следующие: 1) оно всё более превращается в одну науку с единым предметом и методами исследования; 2) оно всё более распадается на несвязанные между собой дисциплины; 3) оно представляет собой комплекс научных дисциплин, всё теснее связываемых друг с другом междисциплинарными концепциями и идеями. К О Н Т Р О Л Ь Н Ы Е В О П Р О С Ы по темам 1, 2 1. В чём заключается специфика естественнонаучной и гуманитарной культур и в каком взаимоотношении они находятся? 2. Какие открытия и научные концепции в наибольшей степени повлияли на развитие современной цивилизации? Каковы тенденции развития современного естествознания? 20 3. Какова роль естественнонаучных знаний в Вашей профессиональной подготовке? 4.Что представляют собой научные революции и какова их роль в развитии естествознания? ТЕМА 3. Естественнонаучное познание. Научный метод 3.1 Естественнонаучное познание и его структура Естественнонаучное познание - это процесс постижения и с т и н ы . Истина это знание, совпадающее с сущностью объективной действительности. В современном понимании постижение истины связано с установлением причинно-следственных связей явлений и свойств природы, с экспериментальным подтверждением истинности теоретических утверждений. Эксперимент, опыт – критерии естественнонаучной истины. Истина не зависит ни от человека, ни от человечества. Будучи объективной по содержанию, истина субъективна по форме – как результат человеческого мышления. Поэтому говорят об о т н о с и т е л ь н о й истине, которая содержит элемент абсолютного знания. Развитие естествознания представляет процесс последовательного приближения к абсолютной естественнонаучной истине. Основная задача научного знания заключается в обнаружении объективных законов действительности, исследование, в первую очередь, общих, существенных свойств предмета или явления, их необходимых характеристик и их выражение в системе абстракций. Без этого не может быть науки, т.к. само понятие научности предполагает открытие законов, углубление в сущность изучаемых явлений. Структуру естественнонаучного познания можно представить как совокупность следующих этапов: 1) наблюдения, сбор твёрдо установленных фактов, относящихся к исследуемому явлению. Факты это верифицированные (достоверно проверенные) события, подкреплённые наблюдениями, измерениями, экспериментами, моделированием и т.д. По выражению российского академика И.П.Павлова, «Факты это воздух Учёного, Науки»; 2) на основе закономерностей ,обобщающих определённые факты, происходит постановка проблемы - это формулировка (осмысление) нашего знания о том, что необходимо познать. Сформулировать проблему – это наполовину её решить; 3) выдвижение гипотез – научных предположений на основе изученных фактов. В выдвижении гипотез участвуют интуиция, логика, воображение; 4) доказательства - это, как правило, эксперименты для проверки того, что подтверждается в гипотезе, а что отбрасывается. Таким образом, в основе естественнонаучного познания лежат объективность, воспроизводимость, непредвзятость. Истинность знаний подтверждается практикой. 21 3.2 Методы естественнонаучного познания Понятие «метод» (от греческого «методос» - путь к чему-либо) означает совокупность приёмов и операций практического и теоретического освоения действительности. Древнекитайский мыслитель Конфуций (552479 гг. до н.э.) утверждал: «Три пути ведут к знанию: путь размышления – это путь самый благородный, путь подражания – это самый лёгкий путь и путь опыта – это путь самый горький». Если в начале развития цивилизации преобладал благородный путь познания, то в настоящее время определяющим стал путь опыта, эксперимента, практики – самый трудный, но результативный путь познания окружающего мира. Метод вооружает человека системой принципов, требований, правил, руководствуясь которыми он может достичь намеченной цели. Владение методом определяет направление и последовательность действий при решении тех или иных задач. Видный философ 17 века Ф.Бэкон сравнивал метод познания с фонарём, который освещает дорогу путнику, идущему в темноте. Существует целая область знания, которая занимается изучением методов познания и называется методологией. Методы научного познания принято подразделять по степени их общности, т.е. по широте применимости в процессе научного исследования. В истории познания известно два в с е о б щ и х метода: диалектический и метафизический. Метафизический метод основан на рассмотрении явлений в их неизменности и независимости друг от друга, он отрицает внутренние противоречия как источник их развития. Приблизительно с конца 18 века этот метод стал вытесняться из естествознания диалектическим методом, который рассматривает явления в их развитии и самодвижении. О б щ е н а у ч н ы е методы познания используются в различных областях науки и подразделяются на эмпирический (основанный на непосредственном исследовании реально существующих объектов путём наблюдений, измерений, экспериментов) и теоретический (это более высокая ступень научного познания, здесь используются обобщённые понятия и представления, итогом которого становятся гипотезы, теории, законы). Оба общенаучных метода взаимосвязаны и дополняют друг друга. Ч а с т н о н а у ч н ы м и называются такие методы познания, которые используются в каких-то конкретных науках, например, физические, биологические, химические методы и др. На эмпирическом уровне познания основными методами являются наблюдения и эксперимент. На теоретическом уровне научного познания имеет место индукция, дедукция, анализ, синтез, аналогии, сравнения, моделирование. Научное познание строится из перекрёстного процесса исследований и рассуждений с различных точек зрения. Совпадение результатов, полученных разными методами исследований, дают уверенность в надёжности полученных знаний. 22 Научному познанию присущи строгая доказательность, обоснованность результатов и достоверность выводов. Но вместе с тем, здесь немало гипотез, догадок, предположений и т.п. Поэтому важное значение имеют методологическая подготовка и философская культура исследователя. Несмотря на то, что научный метод позволяет нам правильно познавать и предсказывать явления природы, он имеет некоторую ограниченность. Границы научного метода пока ещё размыты. Это говорит о том, что реальный мир гораздо богаче и сложнее, чем его образ, который создаётся наукой. 3.3 Принципы познания в естествознании: причинность, наблюдаемость, отбор, симметрия. Критерии научности В естественных науках существуют специальные принципы или правила, которые позволяют избегать ошибок и гораздо быстрее приходить к намеченной цели. К числу таких правил относят: принцип причинности, принцип наблюдаемости, принцип соответствия, принцип симметрии и другие. Рассмотрим кратко суть этих принципов. Принцип причинности состоит в признании причинной обусловленности любого явления и необходимой связи причины и следствия. Причинность - это определённая форма упорядоченности процессов, явлений в пространстве и времени, связь между отдельными состояниями материи в процессе её движения. Причина – это то, что приводит к изменениям, а следствие – это те изменения, которые возникают при наличии причины. Причина и следствие могут переходить друг в друга, меняться местами, т.е. являются относительными и существуют в единстве. По времени причина всегда предшествует следствию. Причинные связи носят объективный характер, на них основано научное познание действительности и организована практическая деятельность человека. Причинность - это одна из форм выражения д е т е р м и н и з м а - учения о всеобщей закономерной связи природных, социальных и психических явлений. Сущность детерминизма состоит в том, что всё существующее в природе, в мире возникает и уничтожается з а к о н о м е р н о, в результате действия каких-то причин. Все явления природы о б у с л о в л е н ы, однако не все связи и отношения выступают одинаково: одни из них неизбежны, другие случайны. Поэтому причинность может проявляться в зависимости от свойств изучаемого объекта по-разному. В макроскопических процессах причинность может выражаться в форме однозначных динамических закономерностей, в микромире – через статистические (вероятностные) закономерности. В физике это называется квантово-механической причинностью. Принцип наблюдаемости требует, чтобы в науку вводились не умозрительные, а н а б л ю д а е м ы е величины, т.е. величины, которые поддаются измерению. 23 Принцип отбора – это законы, выделяющие из возможных (виртуальных) состояний определённое множество допустимых, которые и проявляются в природе. В мире неживой природы – это законы физики и химии. Эти законы остаются справедливыми и в мире живого вещества, но здесь к ним добавляются ещё и свои, биологические. К числу важнейших принципов отбора относят законы сохранения. Наиболее известные из них – законы сохранения вещества, энергии, импульса, заряда и др. Эти законы носят абсолютный, всеобщий характер. Согласие с законами сохранения ещё не означает, что интересующее нас явление может иметь место. Но если соответствующие законы нарушаются, то такие явления или процессы происходить не могут. Принцип симметрии. В переводе с греческого симметрия означает соразмерность, пропорциональность , одинаковость в расположении частей . Античные философы считали симметрию и порядок сущностью прекрасного. Окружающий мир обладает многочисленными свойствами симметрии. Наиболее общие и фундаментальные из них – это симметрии пространствавремени, из которых вытекает существование фундаментальных законов сохранения и предельно возможной скорости движения, относительность пространственных и временных промежутков, тесная связь между материальными телами и геометрией пространства-времени. С симметрией мы встречаемся повсюду: в природе, в технике, в науке, в искусстве. Симметрия противостоит хаосу, она наблюдается везде, где есть хоть какая-то упорядоченность. В этом смысле симметричными являются такие явления, как смена дня и ночи, времён года, круговорот веществ в природе и др. Законы природы также подчиняются принципу симметрии, который в широком смысле означает неизменность свойств по отношению к разнообразным операциям (поворотам, отражениям, переносам и т.д.). Поэтому существуют поворотная, зеркальная, переносная и другие симметрии, которые называются геометрической симметрией. Развитие материального мира сопровождается цепочкой нарушений симметрии. Критерии научности представляют собой совокупность принципов, по которым научные знания могут быть отграничены (демаркированы) от знаний ненаучных. В 30-е годы 20 века таким принципом был провозглашён принцип верификации, т.е. возможность проверки, экспериментального подтверждения знания. Однако эта концепция была подвергнута критике, суть которой сводилась к утверждениям о том, что в науке кроме верифицируемых результатов, могут быть и такие, которые не сводятся только к экспериментам и непосредственно из них не следуют. По мнению учёных, проверка гипотез на принадлежность к науке должна заключаться не только в поиске подтверждающих фактов, но и в реализации попыток опровержения (фальсификации) знания. Фальсифицируемость знания эквивалентна возможности экспериментального опровержения. Например, бесчисленное множество яблок падает вниз, но 24 достаточно хотя бы одному яблоку начать двигаться в другом направлении, как закон всемирного тяготения будет опровергнут. В современной научной практике наряду с критериями верификации и фальсификации используются также и другие гносеологические критерии отличия и предпочтения знания – систематичность, непротиворечивость, когерентность, полезность, простота, красота. 3.4 Состояние физической системы Физическая система – это совокупность материальных объектов, взаимодействующих между собой. В естествознании выделяются два больших класса рассматриваемых систем: системы неживой природы и системы живой природы. Каждая из этих систем имеет свои структурные уровни организации. Состояние физической системы – это конкретная определённость системы, однозначно определяющая её эволюцию во времени. Для задания состояния системы необходимо: 1) определить параметры состояния системы. Например, для механической системы такими параметрами являются совокупность координат и импульсов всех элементов, составляющих эту систему; в равновесной термодинамике состояние системы описывается внутренней энергией и энтропией и т.д. 2)выделить начальные условия рассматриваемой системы; 3)применить законы, описывающие эволюцию данной системы (в механике это законы Ньютона, в термодинамике – законы термодинамики и т.д.) Если система не обменивается с внешней средой ни веществом, ни энергией, ни информацией, то такая система называется закрытой (замкнутой, изолированной). В противном случае система будет открытой. Все реальные системы являются открытыми – они обмениваются с внешней средой веществом, энергией, информацией. Закрытые системы представляют собой модели, абстракции. 3.5 ДИНАМИЧЕСКИЕ И СТАТИСТИЧЕСКИЕ ЗАКОНОМЕРНОСТИ В ПРИРОДЕ Одна из главных задач научной теории заключается в том, чтобы по заданному состоянию системы предсказать её будущее или восстановить прошлое этой системы. Динамической теорией называется теория, основанная на динамических законах. Динамическим физическим законом называется закон, отражающий объективную закономерность в форме однозначной взаимосвязи физических величин, выражаемой количественно. Чаще всего динамические закономерности применяются к отдельным объектам или системам, состоящим из небольшого количества объектов и выражаются однозначной функцией от характеристик пространства и времени, например, 25 вида f (x,t). Казалось, что динамические теории несут наиболее фундаментальные, наиболее точные знания. Отсутствие полного однозначного описания какого-либо явления рассматривалось как следствие недостаточности информации. Примерами динамических теорий могут служить классическая механика, электродинамика Максвелла, теория относительности и др. Абсолютизацию динамических закономерностей обычно связывают с Лапласом - представителем классического детерминизма, согласно которому все явления в природе предопределены с жёсткой необходимостью. Отсюда утвердилось мнение, что только динамические законы полностью отражают причинность в природе. Полученные на их основе результаты имеют не только достоверный (с вероятностью, равной единице), но и однозначный характер. В середине 19 века при рассмотрении механических систем, состоящих из огромного числа частиц, Максвелл пришёл к выводу, что такую задачу надо решать иначе, чем в классической механике. Для анализа таких систем Максвелл внедрил в физику понятие вероятности, разработанное математиками для анализа случайных процессов, и установил статистический закон распределения молекул по скоростям, который оказался достаточно простым и очевидным. Статистическая теория позволяет предсказывать лишь вероятности тех или иных значений физических величин. Примерами таких теорий являются молекулярнокинетическая теория, теория эволюции Дарвина, генетика и др. В статистических теориях состояние механической системы характеризуется не полным набором значений координат и импульсов, а вероятностью того, что эти значения лежат внутри определённых интервалов. Состояние системы задаётся с помощью функции распределения, зависящей от координат и импульсов всех частиц системы и от времени. По известным функциям распределения можно найти средние значения любой физической величины, зависящей от координат и импульсов, и вероятность того, что эта величина принимает определённое значение в заданных интервалах. Со статистическими теориями в естествознание вошло понятие флуктуаций. Флуктуации – это случайные отклонения характеристик системы от наиболее вероятного или среднего значения. Динамические теории не учитывают и не допускают флуктуаций, а статистические теории не только допускают, но и выводят их на передний план. В настоящее время преобладает представление, что наиболее фундаментальными, т.е. наиболее глубоко и полно описывающими реальность, являются статистические теории. Противоречия между динамическими и статистическими теориями нет. Динамическая теория всегда играет роль приближения, упрощения соответствующей статистической теории. Это проявление принципа соответствия. Так для классической механики статистическим аналогом является квантовая механика, для термодинамикистатистическая механика и т.д. Единственным исключением является общая 26 теория относительности, статистический аналог которой – квантовая теория гравитации – ещё не создан, поскольку квантовые гравитационные эффекты должны проявляться в условиях, которые практически невозможно создать в лаборатории или обнаружить в современной Вселенной. 3.6 Термодинамический метод исследования макросистем. Понятие об энтропии Единой мерой всех форм движения материи является энергия. Она характеризует физическую систему (а в общем случае любую термодинамическую систему) с точки зрения возможных в ней количественных и качественных преобразований. Есть различные формы существования энергии - кинетическая (связанная с движением), потенциальная (связанная с гравитационным взаимодействием), тепловая, электрическая, световая, ядерная, химическая и др. Термодинамика - это учение о связи и взаимных превращениях различных видов энергии, теплоты и работы. Следовательно, используя эти понятия, можно исследовать разные природные процессы: механические, тепловые, электромагнитные, ядерные и другие - и термодинамика выступает здесь как метод исследования. При этом здесь не учитывается молекулярное строение тел, на котором основана молекулярная физика. Термодинамика представляет собой динамическую теорию, а молекулярная физика – статистическую. В основе термодинамики лежат три закона. Первый закон термодинамики является по существу законом сохранения и превращения энергии: Теплота, полученная телом, идёт на увеличение его внутренней энергии и на совершении этим телом работы. Из этого закона вытекает вывод о том, невозможен вечный двигатель первого рода, т.е такой, который бы совершал работу без подвода энергии извне. Второй закон термодинамики продолжает мысль первого и утверждает, что не вся полученная телом теплота переходит в работу, Другими словами: невозможен вечный двигатель второго рода, т.е. такой коэффициент полезного действия которого был бы равен единице. Второй закон термодинамики имеет множество эквивалентных формулировок, этот закон даёт представление о направленности термодинамических процессов в природе. Так, например, из собственных наблюдений мы знаем, что в изолированной системе, состоящей из тел с различной температурой, теплота самопроизвольно будет всегда переходить от того тела, температура которого выше, к тому, у которого температура ниже. Это утверждение тоже одна из формулировок второго начала термодинамики. Обратный процесс невозможен; достигнув равновесия, система сама по себе из него не выходит. Значит, все термодинамические процессы, приводящие к термодинамическому равновесию, необратимы. Двигатель, работающий только за счёт энергии находящихся в тепловом равновесии тел, был бы фактически вечным двигателем (его называют вечным двигателем второго 27 рода), но второй закон термодинамики исключает возможность создания такого двигателя. В системе тел, находящихся в термодинамическом равновесии, без внешнего вмешательства невозможны никакие реальные процессы. Для рассмотрения других формулировок второго закона термодинамики введём понятие энтропии. Энтропия является функцией состояния термодинамической системы и обозначается буквой S. Эта величина имеет несколько толкований. 1. Энтропия как мера обесцененности энергии. Ценность различных видов энергии определяется тем, насколько легко данная энергия переходит в другие виды энергии и в работу. С этой точки зрения, менее всего будет цениться тепловая энергия, которую по сравнению, например, с механической или электрической, или ядерной энергиями труднее всего перевести в работу. Значит, энтропия тепловой энергии больше, чем, например, энтропия механической или электрической энергий. 2. Энтропия как мера вероятности состояния системы. Необратимость тепловых процессов, обусловленная колоссальным числом молекул, из которых состоит тело, имеет вероятностный характер. Так, стремление молекул газа к наиболее вероятному состоянию приводит к беспорядку, хаосу, при котором примерно одинаковое количество молекул движется вверх и вниз, вправо и влево, от наблюдателя и к наблюдателю. Процессы, связанные с созданием хаоса из порядка, увеличивают вероятность состояния. Выдающийся австрийский физик Л.Больцман, один из основоположников статистической физики, установил связь между энтропией S и термодинамической вероятностью состояния W: S = k ln W, где к – постоянная Больцмана. к =1,38 Дж/К . Энтропия системы пропорциональна логарифму вероятности состояния этой системы. Система, предоставленная самой себе, стремится перейти в состояние с большей вероятностью. Таким наиболее вероятным состоянием является состояние равновесия. 3. Энтропия как мера беспорядка, мера хаоса, мера деградации системы. С учётом вышеизложенного можно дать ещё одну формулировку второго закона термодинамики: все тепловые процессы, происходящие в замкнутой системе, сопровождаются увеличением энтропии. В случае полностью обратимых процессов энтропия остаётся без изменения. S 0 Это соотношение по-другому называют законом (принципом) возрастания энтропии в изолированных термодинамических системах. 28 Следовательно, все естественные процессы протекают в направлении увеличения хаоса, беспорядка. Отсюда становится ясно, почему механическое движение переходит в тепловое, а обратного перехода нет. – Да потому, что механическое движение упорядоченное, а тепловое – беспорядочно, хаотично. В середине 19 века в науке широко обсуждалась проблема тепловой смерти Вселенной (ТСВ), суть которой в следующем. Применение второго закона термодинамики к Вселенной приводит к выводу о том, что со временем все виды энергии Вселенной превратятся в тепловую, температура всех объектов Вселенной станет одинаковой, все процессы во Вселенной прекратятся и наступит тепловая смерть Вселенной. Со временем проблема ТСВ была снята, прежде всего, по той причине, что второй закон термодинамики справедлив в закрытых системах, а Вселенная является незамкнутой, открытой. В заключение рассмотрения термодинамических методов исследования приведём высказывание одного из основоположников неравновесной термодинамики бельгийского физика И.Р.Пригожина: «В истории науки второй закон термодинамики сыграл выдающуюся роль, далеко выходящую за рамки явлений, для объяснения сущности которых он был предназначен. Достаточно вспомнить работы Больцмана в области кинетической теории, разработку Планком квантовой теории излучения и Эйнштейном теории спонтанной эмиссии; в основе всех этих достижений лежит второй закон термодинамики». Третий закон термодинамики гласит: энтропия равновесной системы стремится к нулю при приближении температуры к абсолютному нулю. Это утверждение называют тепловой теоремой Нернста (немецкого физико - химика, лауреата Нобелевской премии по физике 1920г.). Рассмотренные три закона завершают построение классической термодинамики, которую называют ещё термодинамикой равновесных процессов 3.7 Процессы самоорганизации в природе. Понятие о синергетике В последние десятилетия развивается представление о том, что материи изначально присуща тенденция не только к разрушению упорядоченности, но и к образованию всё более сложных и упорядоченных структур разного уровня. Выше отмечалось, что все реальные системы являются открытыми, т.е. они обмениваются веществом, энергией, информацией с окружающей средой и не находятся в состоянии термодинамического равновесия. В таких системах возможно образование нарастающей упорядоченности. – На этом возникло представление о самоорганизации вещественных систем. Материя способна осуществлять работу против термодинамического равновесия, самоорганизовываться и самоусложняться. 29 Самоорганизация – это природные скачкообразные процессы, при которых открытая неравновесная система, достигнув критического состояния, переходит в новое устойчивое состояние с более высоким уровнем сложности и упорядоченности по сравнению с исходным. Критическое состояние системы, в котором её параметры позволяют перейти ей в новое состояние, называется точкой бифуркации ( точкой разветвления). Устойчивых новых состояний, в которые может перейти неравновесная система, может быть несколько, и в какое именно состояние совершится переход, дело случая. Процессы самоорганизации исследуются по нескольким направлениям: термодинамика неравновесных процессов, математическая теория катастроф, синергетика и др. Термин «синергетика» был предложен в 70-х годах 20 века немецким физиком Г.Хакеном; в переводе с греческого это слово означает совместный, согласованно действующий. Синергетика рассматривает сложные системы самой разнообразной природы- физические, химические, биологические, социальные, экономические, процессы самоорганизации в которых описываются одинаковыми математическими моделями и подчиняются одним и тем же закономерностям. Объект изучения синергетики, независимо от его природы, должен удовлетворять следующим условиям: 1) система должна быть открытой, незамкнутой, т.е. она имеет возможность обмениваться с окружающей средой веществом, энергией, информацией; 2) система должна быть существенно неравновесной, из-за чего возникает критическое состояние, сопровождающееся потерей устойчивости; 3) выход из критического состояния осуществляется скачком, в результате которого образуется качественно новое состояние системы с более высоким уровнем упорядоченности. В таких условиях наблюдается согласованное поведение подсистем, которое приводит к возрастанию степени упорядоченности и соответственно к уменьшению энтропии. В качестве подсистем могут выступать атомы, молекулы, клетки , компьютеры и даже люди. Важно, что в открытых системах можно менять потоки энергии и вещества и тем самым управлять образованием диссипативных структур. Рассмотрим некоторые примеры. Классическим примером возникновения структуры, т.е. упорядоченности, являются ячейки Бенара. Эффект заключается в том, что при нагревании слоя вязкой жидкости (например, масла) до определённой температуры в ней возникают упорядоченные структуры из шестиугольных конвекционных ячеек. В химии известны так называемые химические часы. При определённых условиях некоторые химические реакции сопровождаются периодическими изменениями концентраций реагентов: с течением времени один реагент сменяется другим, затем вновь восстанавливается и снова исчезает. Получается периодический химический процесс в пространстве и времени, который называют реакцией Белоусова-Жаботинского. Методами синергетики могут быть объяснены и некоторые процессы, происходящие в экономике. Например, переориентация капиталовложений с 30 увеличения производства на его модернизацию может привести к новому состоянию экономики – переходу от полной занятости к неполной ( со всеми вытекающими отсюда последствиями). В социологии формирование общественного мнения , в процессе которого мнение одних членов группы влияет на мнение других и возникает коллективный эффект, может быть проанализировано методами синергетики. Типичным объектом синергетики является лазер, рабочее вещество которого представляет собой сильно неравновесную систему. До порога лазерной генерации все атомы испускают некогерентное, несогласованное излучение, а выше порога генерации возникает строго когерентное монохроматическое излучение. Переход лазера в режим генерации подобен образованию ячеек Бенара. Таким образом, возникновение порядка из хаоса в настоящее время исследуется во многих науках, в том числе в экологии, социологии, экономике, естествознании. Синергетика установила, что процессы разрушения и созидания, деградации и эволюции во Вселенной равноправны. Материи присуща созидательная тенденция, она способна самоусложняться, самоорганизовываться. Тренировочный ТЕСТ по теме 3 1.Научным методом называется: 1)способ познания, исследования явлений природы и общественной жизни; 2) система приёмов в какой-либо деятельности; 3)совокупность приёмов целесообразного проведения какой-либо работы. 2.На эмпирическом уровне научного познания происходит: 1) объяснение и обобщение фактов; 2) сбор фактов и информации; 3) предсказание новых явлений в рамках старых теорий. 3. Критерием истинности научного знания является принцип: 1) верификации; 2) неопределённости; 3) дополнительности. 4. Динамическая теория описывает: 1) поведение систем на основе вероятностных представлений; 2) строго детерминированное поведение систем во всё время их существования; 31 3) хаотическое поведение систем. 5. В точке бифуркации система: 1) возвращается в своё исходное состояние; 2) случайно выбирает путь нового развития; 3) прекращает взаимодействие с другими системами. КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ по теме 3 1. Охарактеризуйте сущность естественнонаучного познания, его структуру и методы. 2. Чем обусловливаются антинаучные тенденции в развитии культуры и в чём опасность их проявлений? 3. Охарактеризуйте сущность и приведите примеры динамических и статистических законов. Какие из них являются фундаментальными? 4. В чём особенность термодинамических методов исследования физических систем? Рассмотрите понятие энтропии и дайте формулировки 2го закона термодинамики через это понятие. 5. Что представляют собой процессы самоорганизации? К каким системам применимы синергетические методы исследования? Приведите примеры. 6. Что такое «Тепловая смерть Вселенной»? Почему, как выяснилось, нашей Вселенной не грозит тепловая смерть? С каким фундаментальным законом природы связан ответ на этот вопрос? ТЕМА 4. Фундаментальные концепции физического описания природы 4.1 Материя. Движение. Взаимодействия. Дальнодействие и близкодействие Одной из фундаментальных наук о природе является физика, которая изучает наиболее общие свойства материального мира и является основой естествознания. Материальный мир можно разделить на три составляющих: неживая природа, живая природа и общество. Каждая из этих составляющих развивается по своим специфическим законам, имеет свой характер развития материи. Современная физика рассматривает материю в виде частиц, из которых состоят все вещества (твёрдые, жидкие, газообразные, плазма и др.) и в виде полей ( электромагнитное, гравитационное и др.). В последнее время в качестве одного из видов материи рассматривают физический вакуум, который не является абсолютной пустотой, а представляет собой форму 32 материи со сложными свойствами, которые во многом определяют динамику развития Вселенной. Неотъемлемым свойством материи является движение. Под движением понимают все изменения, все процессы, которые происходят с материей. Всё течёт, всё изменяется. К физическим формам движения относятся механическое (самое простое и наглядное, заключающееся в перемещении одних тел относительно других), тепловое (молекулярнокинетическое), электромагнитные процессы, ядерные и другие. Химия изучает химические формы движения материи, биология – биологические. Высшей формой движения материи является мышление. Движение включает в себя различные виды взаимодействий, которые являются проявлением глубинных свойств материи. Для всякого объекта существовать – значит взаимодействовать, как-то проявлять себя по отношению к другим объектам. Сложилось представление о четырёх фундаментальных взаимодействиях: гравитационном, электромагнитном, слабом и сильном (ядерном). Любой материальный объект, обладающий массой, создаёт вокруг себя гравитационное поле, которое ответственно за гравитационное притяжение тел, подчиняющееся закону всемирного тяготения. Заряженные тела создают вокруг себя электромагнитное поле, имеющее две компоненты – электрическую и магнитную, которые подчиняются системе уравнений Максвелла, а электромагнитное взаимодействие проявляет себя в виде притяжения или отталкивания, оно ответственно за существование атомов, молекул и состоящих из них макроскопических тел. Электромагнитное взаимодействие проявляется как в микромире, так и в макромире, и мегамире. Слабое взаимодействие возникает при взаимных превращениях элементарных частиц, в природе оно играет чрезвычайно важную роль. Например, ядерные реакции на Солнце и других звёздах связаны с проявлением слабого взаимодействия. Сильное взаимодействие является источником огромной энергии и проявляет себя притяжением протонов и нейтронов, находящихся внутри атомных ядер; оно обеспечивает исключительную прочность этих образований, лежащую в основе стабильности вещества в земных условиях. Наименее интенсивным является гравитационное взаимодействие, за ним идёт слабое, потом электромагнитное , которое примерно в 100 раз слабее сильного. Чем сильнее взаимодействие, тем с большей интенсивностью протекают процессы. В нашей жизни гравитационное взаимодействие проявляется только в виде силы тяжести, за счёт которой любое тело, потерявшее опору, падает на Землю. Все остальные силы, с которыми мы встречаемся в жизни (силы трения, упругости и др.) по своей природе являются электромагнитными. Фундаментальные взаимодействия имеют как общие черты, так и свои особенности. Общим является то, что передача взаимодействия осуществляется не мгновенно, а с конечной скоростью, не превышающей скорость света в вакууме (300000 км/с). Кроме того современная наука 33 исходит из того, что у каждого взаимодействия есть свои переносчики, трансляторы взаимодействия, кванты поля, которые можно рассматривать как частицы (корпускулы). У гравитационного взаимодействия это гравитоны, у электромагнитного – фотоны, у слабого - векторные бозоны, у сильного – глюоны. i Слабые и сильные взаимодействия возникают на очень малом расстоянии. Радиус действия сильного взаимодействия примерно 10-15 м, слабого – не превышает 10-18 м. Эти взаимодействия называют короткодействующими (близкодействие). Гравитационное и электромагнитное взаимодействия имеют практически неограниченный радиус действия и называются дальнодействующими. Концепция дальнодействия предполагает, что взаимодействие материальных тел не требует материального посредника и может передаваться мгновенно. Кажется удивительным, что всё многообразие сил, действующих в природе, можно свести к четырём видам, однако наука стремится объединить и эти взаимодействия и создать теорию единого поля, единого взаимодействия, из которой вышеперечисленные взаимодействия вытекали бы как частные случаи. Такая теория потребует синтеза естественнонаучных знаний об окружающем мире – от элементарных частиц до Вселенной. 4.2 Корпускулярная и континуальная концепции описания природы На основе материала, рассмотренного в предыдущем параграфе, составим следующую таблицу: Таблица 1 Вид поля ( вид Квант поля (частица, Особенность взаимодействия) корпускула) взаимодействия Гравитационное Гравитон дальнодействие Слабое Бозон близкодействие Электромагнитное Фотон дальнодействие Сильное (ядерное) Глюон близкодействие Из таблицы видно, что каждый квант поля есть элементарная частица. Современное естествознание рассматривает силу как результат обмена частицами – носителями взаимодействия. Например, электромагнитное взаимодействие между двумя электронами обусловлено обменом фотоном. Аналогичным образом обмен другими частицами-посредниками (т.е.квантами полей) приводит к возникновению взаимодействий трёх остальных видов. Таким образом, возникает представление о квантовополевом механизме передачи взаимодействия. Взаимодействие рассматривается не только как результат порождения полей, но и как результат обмена виртуальными частицами – квантами соответствующего 34 поля. С понятием частица связано представление о прерывности (дискретности), с понятием поля связано представление о непрерывности или континуальности ( континуум означает непрерывное множество). Вся современная физика пронизана идеей воспринимать частицу как квантовые состояния некоторого поля. В этом смысле поле является первичным понятием, а элементарные частицы возникают в результате его квантования. Таким образом, квантовое поле –это фундаментальная сущность, которая может существовать в протяжённой (континуальной) форме ( в виде поля), и в непротяжённой (дискретной) форме – в виде частиц. Непрерывность и дискретность – неотъемлемые свойства материи. Например, вещество, находясь в твёрдом или жидком состояниях, обычно воспринимаются нами как н е п р е р ы в н а я , сплошная среда. При рассмотрении свойств такого вещества в большинстве случаев учитывается только его непрерывность. Однако то же вещество при объяснении тепловых процессов, электромагнитного излучения, образования химических связей и т.п. рассматривается как д и с к р е т н а я среда, состоящая из взаимодействующих между собой атомов и молекул. 4.3 КОНЦЕПЦИИ ПРОСТРАНСТВА И ВРЕМЕНИ Весь материальный мир существует и эволюционирует в пространстве и времени. Первые представления о пространстве и времени были выработаны в античном мире. Существовало два подхода к пониманию этих категорий: с у б с т а н ц о н н ы й и р е л я ц и о н н ы й . Представителями субстанционного подхода были атомисты Левкипп и Демокрит, которые рассматривали пространство и время как независимые от материальных тел сущности, обладающие собственным бытием. Исходя из того, что все тела состоят из атомов и пустоты, современники этих мыслителей не разделяли такой точки зрения, считая, что пустота это небытие. Представителем реляционного подхода был Аристотель, понимающий пространство и время как систему отношений между материальными телами и происходящими с ними событиями (дальше-ближе, до - после и т.д.). Аристотель полагал, что понятие м е с т а можно определить только с помощью материальных тел, между которыми заключено это место, а понятие в р е м е н и связано с рядом событий, происходящих в определённой последовательности. Точка зрения Аристотеля оставалась господствующей в течение почти двух тысяч лет до тех пор, пока И.Ньютон не возродил субстанциональный подход, введя понятия Абсолютного пространства и Абсолютного времени. 35 4.3.1 Основные свойства пространства и времени Однородность пространства означает, что все точки пространства эквивалентны, ни одна из них не имеет преимуществ. Перенос экспериментальной установки из одной точки в другую не повлияет на результаты эксперимента. Однородность пространства означает, что у Вселенной нет центра, как и нет окраин. Пространство является протяжённым и трёхмерным. Понятие многомерного пространства существует не как физическое, а как математическое. Изотропность пространства связана с представлением о равнозначности всех направлений в пространстве. Однородность времени говорит о равнозначности всех моментов времени. Например, эксперимент, поставленный несколько лет назад, даст тот же результат, что и поставленный в настоящее время. Время анизотропно, одномерно - течёт только из прошлого в будущее. Время одномерно. У времени есть некоторые специфические формы его проявления –«биологическое» время, «психологическое» время, социальное время и др., которые отличаются от объективного физического времени. Все перечисленные свойства пространства и времени связаны с симметрией, которая, в свою очередь, связана с принципом инвариантности относительно сдвигов в пространстве и во времени: смещение в пространстве и во времени не влияет на протекание физических процессов. В широком смысле инвариантность означает неизменность свойств системы при некотором преобразовании её параметров. С концепцией симметрии связаны законы сохранения, которые выделяются среди других законов своей всеобщностью, т.е. фундаментальностью. Согласно теореме Нётер, каждая симметрия ведёт к сохранению определённой физической величины. Так, однородность пространства, т.е. симметрии по отношению к преобразованию сдвига, приводит к закону сохранения импульса. Однородность времени приводит к закону сохранения энергии. Изотропность пространства приводит к закону сохранения момента импульса. 4.3.2 Пространство и время в классической механике. Механический принцип относительности Галилея В 1687 году вышел основополагающий труд Ньютона «Математические начала натуральной философии», в котором сформулированы основные законы движения и даны определения понятиям пространства и времени. Эти представления легли в основу классической физики, которая рассматривает движения со скоростями, намного меньшими скорости света. Абсолютное пространство совершенно пустое, оно существует 36 независимо от физических тел, его свойства описываются геометрией Евклида. Движение в абсолютном пространстве осуществляется по законам механики и представляет собой перемещение по непрерывным траекториям. Абсолютное время протекает равномерно и называется длительностью. Длительность событий не связана со свойствами пространства. Таким образом, в классической физике было субстанциальное понимание пространства и времени, их абсолютность. В 1636 году Галилей сформулировал классический принцип относительности: во всех инерциальных системах отсчёта движение тел происходит по одинаковым законам. Следствием этого принципа является утверждение о том, что, находясь в инерциальной системе отсчёта, никакими механическими опытами невозможно определить, движется система равномерно и прямолинейно или покоится. 4.3.3 Пространство и время в свете теории относительности А.Эйнштейна В 1905 году А.Эйнштейн опубликовал работу «К вопросу об электродинамике движущихся сред», в которой по существу была изложена специальная теории относительности (СТО). В этой теории рассматриваются процессы, протекающие со скоростью, близкой или равной скорости света. В этих условиях свойства пространства и времени существенно отличаются от тех, которые были рассмотрены выше применительно к классической физике. В специальной теории относительности пространство и время рассматриваются в рамках реляционного подхода как система отношений между материальными объектами. В СТО так же, как и в классической ньютоновской механике, предполагается, что время однородно, а пространство однородно и изотропно. А.Эйнштейн В основе СТО лежат два основных принципа, принимаемых в качестве исходных постулатов. Первый постулат является обобщением механического принципа относительности Галилея на любые (не только механические) физические 37 процессы. Этот постулат, называемый релятивистским принципом относительности, гласит: в любых инерциальных системах отсчёта все физические процессы при одних и тех же условиях протекают одинаково. Другими словами, принцип относительности утверждает, что физические законы независимы (инвариантны) по отношению к выбору инерциальной системы отсчёта. Второй постулат выражает принцип инвариантности скорости света: Скорость света не зависит от скорости движения источника или приёмника, она одинакова во всех направлениях и во всех инерциальных системах отсчёта и в вакууме равна С = 300 0000 км/с. Скорость света является одной из универсальных физических констант. Эта скорость является верхним пределом скорости любых объектов природы, любых волн и сигналов, это предельная скорость передачи любых физических взаимодействий. Прилагательное «специальная» в названии теории означает, что она рассматривает законы природы с точки зрения наблюдателей, расположенных не в произвольных системах координат, а только в инерциальных, где выполняется закон инерции. Согласно этому закону, пока на тело не подействует сила, оно сохраняет своё состояние покоя или прямолинейного равномерного движения. Вот это ограничение специальным выбором системы отсчёта и объясняет название «специальная теория относительности». В отличие от ньютоновской механики, специальная теория относительности объединяет пространство и время в единый пространственно-временной континуум, в единое ПРОСТРАНСТВОВРЕМЯ. В соответствии с этой теорией пространственно-временные свойства тел зависят от скорости их движения. При приближении скорости тела к скорости света пространственные размеры тел в направлении движения сокращаются, временные процессы замедляются, а масса тела возрастает. Эти эффекты называют релятивистскими. Выводы теории относительности кажутся нам абсурдными, противоречащими «здравому смыслу», но они находят экспериментальные подтверждения в мире элементарных частиц в опытах, проводимых в ускорителях элементарных частиц. Таким образом, специальная теория относительности не отменяет законы классической физики. Специальная теория относительности представляет собой современную физическую теорию пространства времени. Классическую теорию она включает в себя как частный случай (при скоростях, намного меньших скорости света). Пространство и время оказываются симметричными сторонами единого пространственновременного континуума. Отсюда вытекают естественные связи между энергией и импульсом, между электрическим полем и магнитным, между энергией Е и массой М: 38 Е = М · C2 Эта формула является одной из самых красивых в физике, её называют также формулой 20 века, т.к. с ней связана вся ядерная энергетика. Представления и идеи, основанные на специальной теории относительности, дали возможность создать ядерные реакторы – мощные источники энергии, нехватка которой всё более ощущается на Земле. Но эти же идеи привели к созданию атомного и водородного оружия, обладающего неслыханной ранее разрушительной силой. Следует обратить внимание на то, что между механикой Ньютона и механикой теории относительности есть одно важнейшее различие даже при сколь угодно малых скоростях. В механике Ньютона энергия покоящегося тела массой М равна нулю, а в механике теории относительности энергия покоящегося тела равна МС2. Это огромный запас энергии! В 1г вещества сокрыта энергия в миллионы киловатт-часов. Представления о свойствах пространства и времени получили дальнейшее развитие в опубликованной в 1916 году общей теории относительности ( ОТО), где размывается грань между субстанциальным и реляционным подходами. ОТО применима к любым системам отсчёта ( а не только к инерциальным, как СТО ) и включает в себя СТО как частный случай. Общая теория относительности даёт новую интерпретацию гравитации, основываясь на принципе эквивалентности инерционной и гравитационной масс: кинематические эффекты, возникающие под действием гравитационных сил, эквивалентны инерциальным эффектам, возникающим под действием ускорения. Например, известно, что все тела падают на Землю с ускорением свободного падания g =9.8 м/ , обусловленным гравитационным полем Земли. Но если ракета взлетает с ускорением а=g , то экипаж будет чувствовать себя так, как будто он находится в удвоенном (g+g) поле тяжести Земли – одна величина g обусловлена гравитационным полем Земли, а другая – ускоренным движением ракеты. Принцип эквивалентности инерционной и гравитационной масс лёг в основу вывода об инвариантности законов природы в любых системах отсчёта (инерциальных и неинерциальных). Следующий вывод ОТО связан с представлением об искривлении (деформации) пространства-времени под воздействием массы тела. То, что в классической физике считается силой тяжести, в общей теории относительности является мерой внешнего проявления искривления пространства-времени. Под действием гравитационного поля в сильных полях тяготения происходит замедление времени. Так, радиосигнал, проходящий вблизи Солнца, совсем небольшой звезды по сравнению с другими звёздами Вселенной, испытывает задержку примерно на 0,0002с. Очевидно замедление времени тем больше, чем интенсивнее гравитационное поле. Более того в гравитационном поле с достаточно 39 высокой напряжённостью возможна полная остановка времени. При этом со световым излучением происходит следующее: чем сильнее тяготение, тем больше увеличивается длина световой волны, а частота уменьшается. При определённой величине гравитационного поля длина волны стремится к бесконечности, а частота соответственно – к нулю. Для наблюдателя этот эффект проявляется в том, что источник светового излучения становится невидимым, т.к. свет не покидает источника. Такие объекты называют чёрными дырами. В общей теории относительности чёрные дыры появляются как частные решения уравнений ОТО. Согласно им чёрная дыра в своей окрестности настолько искривляет пространство-время, что никакой сигнал не может быть передан с её поверхности. Получается, что поверхность чёрной дыры служит границей пространства-времени, доступного нашим наблюдениям. Таким образом, теория относительности установила не только неразрывную связь пространства и времени, но и показала зависимость этого единства от свойств материи. Из представлений классической физики следует, что если бы из Вселенной исчезла вся материя, то пространство и время сохранились бы, а теория относительности утверждает, что вместе с материей исчезли бы также пространство и время. В математическом отношении теория относительности очень сложная, она недоступна нашему непосредственному восприятию. Вместе с тем, экспериментальная проверка этой теории как в микромире, так и в мегамире подтверждает справедливость её выводов (какими бы абсурдными они нам ни казались). Тренировочный ТЕСТ по теме 4 1.Корпускулярные представления о материи возникли: 1) в древней Греции; 2) в период становления квантовой механики; 3) в период становления классической механики. 2. Представления о поле как виде естествознание: 1) вместе с развитием квантовой физики; 2) с развитием электродинамики; 3) в связи с работами Галилея и Ньютона. материи пришло в 3. Укажите правильное утверждение: 1) фотон – квант электромагнитного поля; глюон – квант гравитационного поля; 2) бозон – квант ядерного поля; фотон – квант электромагнитного поля; 40 3) фотон – квант электромагнитного поля; гравитон – квант гравитационного поля. 4. Укажите правильную последовательность взаимодействий в порядке возрастания интенсивности: 1) гравитационное, электромагнитное, слабое, сильное; 2) гравитационное, слабое, электромагнитное, сильное; 3) слабое, сильное, электромагнитное, гравитационное. 5. Независимость свойств пространства от наличия в нём тел и их взаимного расположения лежит в основе: 1) специальной теории относительности; 2) общей теории относительности; 3) классической механики Ньютона. 6.В специальной теории относительности доказывается, что 1) пространственные и временные характеристики объектов в различных системах отсчёта будут одинаковыми; 2) пространственные и временные характеристики объектов в различных системах отсчёта будут разными; 3) свойства пространства и времени не зависят от материальных объектов и изменений, происходящих с ними. 7. Мир с кривизной пространственно-временного континуума описывает: 1) общая теория относительности; 2) специальная теория относительности; 3) классическая механика Ньютона. КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ по теме 4 1. Какие виды материи различают в современной физике? В чём сущность идеи атомизма и полевой концепции? 2. Корпускулярные и континуальные свойства материи – дайте толкование этим представлениям. 3. Какие типы фундаментальных взаимодействий рассматривает современное естествознание и в чём состоит программа их объединения? 4. Каковы свойства пространства и времени с точки зрения классической механики? Как формулируется механический принцип относительности? 5. В чём заключается новый взгляд на пространство и время в СТО? Противоречат ли выводы специальной теории относительности о свойствах пространства-времени выводам классической механики? 41 Тема 5. ЕСТЕСТВЕННОНАУЧНАЯ КАРТИНА МИРА (ЕНКМ) Естественнонаучная картина мира это обобщённая система представлений о мире в целом, которые вырабатываются в результате синтеза знаний, полученных в различных областях научных исследований, это обобщённый взгляд на мир в целом, на взаимосвязанные и самодвижущиеся элементы в нём. Естественнонаучная картина мира призвана объяснить всё многообразие явлений окружающего мира на основе небольшого количества фундаментальных научных принципов (законов). Концепции, лежащие в основе научной картины мира, являются ответами на основополагающие вопросы о мире: о материи, о движении, о пространстве и времени, о взаимодействии, о причинности и закономерности, о космологических представлениях. Эти вопросы с течением времени уточняются, изменяются, однако сам «вопросник» остаётся практически неизменным по крайней мере от древности до наших дней. ЕНКМ является одним из важных компонентов мировоззрения. Картина мира всё время меняется, она претерпела огромные изменения, пройдя путь от мифологической (основанной на эмпирических наблюдениях и выдумке) до античной (16-17в.в.). Это были преднаучные картины мира. Затем наступает период становления классического естествознания, который привёл к возникновению механистической и электромагнитной картин мира. Механистическая картина мира, созданная на основе трудов Галилея, Ньютона, Кеплера опиралась на представления об абсолютном пространстве и абсолютном времени, которые не связаны между собой и с материей..Сама материя в механической картине мира представляла абстракцию дискретной неделимой частицы – материальную точку; в электромагнитной картине мира появилось представление о физическом поле, непрерывном в пространстве и тем самым принципиально отличающимся от вещества. Основу механической картины мира составляет идея атомизма и всепроникающего эфира. Наиболее важные результаты механики Ньютона были получены на основе концепции дальнодействия. Мир представлялся стройной гигантской машиной, построенной и функционирующей по законам механики., где действуют строгие причинно-следственные зависимости. Научный успех механической картины мира определялся точно сформулированными и облачёнными в математическую форму законами динамики материальной точки. Считалось, что микромир по своим законам, аналогичен макромиру, а отличается только масштабностью. Формирование механической картины мира завершилось к середине 19 века. В 20-е годы 19 века наблюдался всплеск исследований в области электромагнетизма. Работы Эрстеда, Фарадея привели к пониманию того, что материя в природе существует не только в форме вещества, но и в форме поля. Электромагнитная картина мира основывалась на законах 42 электродинамики Максвелла, но так же, как и механическая картина мира, была метафизичной, т.е. лишённой внутренних противоречий. Открытия в естествознании 20 века, связанные с пересмотром основополагающих представлений о соотношении случайного и закономерного, усиливающаяся дифференциация научного знания, привели к формированию неклассической картины мира, где согласно концепции корпускулярно-волнового дуализма все поля квантуются, т.е. исчезла непреодолимая граница между полем и веществом. К концу 20 века созревают необходимые условия и предпосылки для формирования общенаучной картины мира как целостной системы научных представлений о природе, человеке и обществе и возникает постнеклассическая (неоклассическая) эволюционная картина мира. Это современная естественнонаучная картина мира. 5.1 ОСОБЕННОСТИ СОВРЕМЕННОЙ ЕСТЕСТВЕННОНАУЧНОЙ КАРТИНЫ МИРА Предметом современного естествознания становится изучение взаимодействий, а не отдельных разрозненных объектов природы. Для современной науки характерен отказ от представлений реального мира простой и ясной сущностью; необходимым и важнейшим компонентом этого мира становится человек-наблюдатель, от присутствия которого зависит наблюдаемая картина мира. Это означает, что в современную ЕНКМ вошёл антропный принцип. Если предыдущая картина мира была по существу физической, то теперь она дополняется важнейшими концепциями и принципами гуманитарных, общественных наук. Сейчас осознаётся значение науки не только для практической деятельности, но и для духовной жизни, для формирования современного мировоззрения. Картина мира, рисуемая современным естествознанием, необыкновенно сложна и одновременно проста. Её сложность проявляется в том, что она может поставить в тупик человека, мыслящего классическими представлениями с их наглядной интерпретацией. С такой точки зрения, многие современные представления выглядят абсурдными, безумными. В то же время современное естествознание показывает, что в природе реализуется всё, что не запрещено её законами, каким бы безумным и невероятным это ни казалось. Простота и стройность современной ЕНКМ обусловлена тем, что для её понимания требуется не так много принципов и гипотез. Эти качества придают ей такие принципы, как системность, глобальный эволюционизм, самоорганизация и историчность. Системность связана с представлением о том, что объекты природы и общества состоят из огромного множества подсистем со своей иерархичностью и субординацией. Эффект системности состоит в появлении 43 у системы новых свойств, которые возникают благодаря взаимодействию её элементов между собой. Глобальный эволюционизм означает, что Вселенная, и всё, что в ней существует, постоянно развивается, эволюционирует. Самоорганизация - это способность материи к самоусложнению и созданию всё более упорядоченных структур. Историчность заключается в принципиальной незавершённости настоящей научной картины мира. Не исключено, что пройдёт какое-то время и под влиянием новых научных открытий могут измениться даже фундаментальные представления современной ЕНКМ. Приходит осознание того, что мир является нелинейным. Все глобальные процессы – экономические, демографические, экологические – описываются нелинейными законами. 5.2 СТРУКТУРНЫЕ УРОВНИ ОРГАНИЗАЦИИ МАТЕРИИ С точки зрения современной науки окружающий нас мир представляет движущуюся в пространстве и во времени материю Условно весь мир подразделяется на три структурные области, имеющие свои протяжённости, свои типы взаимодействий. Это мегамир, макромир и микромир. Мегамир включает в себя Вселенную, галактики и их скопления, звёзды, планеты и характеризуется практически неограниченными масштабами. Здесь преобладающим является гравитационное взаимодействие, поэтому существенную роль играют законы общей теории относительности. К макромиру относятся тела по своим масштабам более или менее соизмеримые с размером человеческого тела, которые доступны нашему непосредственному восприятию. Поведение макроскопических объектов описывается классической физикой (классической механикой и электродинамикой). Микромир соответствует пространственным масштабам размера атома и меньше. Этот мир также недоступен нашему непосредственному восприятию, а процессы микромира подчиняются законам квантовой физики. Такое деление мира на уровни весьма условно, но принципиальным является то, что объекты микромира нельзя рассматривать как макрочастицы, только меньшего масштаба. Оказалось, что микрочастицы обладают особыми свойствами (которые будут рассмотрены ниже) и их поведение не подчиняется законам классической физики. Казалось, что «микро» и «макро» - это две противоположные ветви познания, между которыми мало общего. Но теперь «круг» замыкается, противоположности сходятся. Дело в том, что некоторые разделы физики микромира в своих исследованиях приближаются к пределу земных возможностей. Чем глубже учёные проникают в тайны природы, тем сложнее становятся научные эксперименты. Но оказывается, крупномасштабная структура сегодняшней Вселенной зависит от свойств элементарных частиц, 44 которые «жили» в первые мгновения «Большого Взрыва». Следовательно, «лаборатория» для проверки теорий элементарных частиц существовала в начальной фазе эволюции нашей Вселенной. Очевидно, что научные интересы физиков-атомщиков совпадают с интересами специалистов, изучающих мегамир. 5.3 КОРПУСКУЛЯРНО-ВОЛНОВОЙ ДУАЛИЗМ СВЕТА Важной вехой в развитии естествознания была эволюция представлений о природе света. Первая гипотеза о природе света принадлежала выдающемуся механику и оптику И.Ньютону, который считал, что свет - это поток светящихся частиц - корпускул. Исходя из таких представлений, хорошо объяснялись такие явления, как прямолинейное распространение света в однородной среде, отражение и преломление света. Однако такие явления, как интерференция ( при наложении световых пучков может происходить не только усиление, но и ослабление интенсивности света) и дифракция (огибание светом преграды, размеры которой соизмеримы с длиной волны) не поддавались объяснению, исходя из корпускулярных представлений. Современник Ньютона голландский физик Х.Гюйгенс выдвинул другую гипотезу: свет - это волна, т.е. является распространяющимся в среде колебанием. Природа этих волн была неясной, но волновые представления хорошо объясняли и прямолинейное распространение света, и отражение, и преломление, и интерференцию, и дифракцию. Создалось впечатление, что модель Гюйгенса более правильная, чем модель Ньютона. В 1865 году английский физик Максвелл - создатель теории электромагнитного поля - пришёл к выводу, что электромагнитное поле в вакууме распространяется со скоростью 300 000 км/с. Известно, что эта величина соответствует скорости света в вакууме. Таким образом было установлено, что световые волны имеют электромагнитную природу. Создалось впечатление, что модель Гюйгенса более правильная, чем модель Ньютона. Однако в 1900 году Нобелевский лауреат немецкий физик Макс Планк, рассматривая теорию теплового излучения, предположил, что атомы излучают энергию лишь определёнными порциями – квантами, причём энергия кванта пропорциональна частоте колебания атома v (и соответственно обратно пропорциональна длине волны). Формула E = h v получила название формулы Планка для энергии кванта света (фотона). Здесь h – одна из фундаментальных физических констант, называемая постоянной Планка ( квант действия). h =6,62 · 10-34 Дж с. В 1887 году русский физик А.Г.Столетов открыл явление, которое никак не вписывалось уже в волновую теорию света: внешний фотоэффект, заключающийся в выбивании светом электронов с поверхности металла. Объяснение этому явлению в 1905 году дал Эйнштейн ( за что был удостоен Нобелевской премии). Теория фотоэффекта Эйнштейна была связана с 45 предположением, что свет при взаимодействии с веществом ведёт себя как совокупность частиц (фотонов, квантов). Масса покоя фотона равна нулю, а существовать он может только в движении со скоростью света. Макс Планк Таким образом, было установлено, что свет обладает и корпускулярными, и волновыми свойствами – в этом суть корпускулярноволнового дуализма света, но проявляет либо те, либо другие в зависимости от ситуации. Необходимо отметить ещё и квантовые свойства света. Наука установила, что корпускулярно-волновым дуализмом обладает не только свет. ( В этом мы убедимся при рассмотрении последующего материала). 5.4 КОНЦЕПЦИИ МИКРОМИРА Квантовая физика по существу является итогом всей научной революции 20-го века. Эта научная теория произвела переоценку роли динамических и статистических закономерностей в пользу статистических, изменила характер физических моделей, переосмыслила роль исследователя в изучаемом им мире, привела к отказу от многих привычных понятий и представлений. Великий русский учёный Л.Ландау писал: «Величайшим достижением человеческого гения является то, что человек может понять вещи, которые он уже не может вообразить». Это относится в первую очередь к квантовой механике, которая описывает процессы микромира, лежащие за пределами чувственных восприятий, которые лишены наглядности, присущей классической физике. Квантовая физика стала важнейшим шагом в построении современной естественнонаучной картины мира, Она позволила объяснить и предсказать огромное число различных явлений как в микромире, так и в мегамире. Без неё невозможно понять происхождение Вселенной. Квантовомеханические эффекты лежат в основе современной техники. Квантовая физика состоит из многих разделов, которые по существу выделились в самостоятельные науки: квантовая механика, квантовая электродинамика, квантовая оптика, квантовая теория поля (соединяет в себе идеи квантовой механики и теории относительности), квантовая хромодинамика (изучает кварковую структуру элементарных частиц). 46 Квантовая физика положила начало современной квантовой химии, квантовой биологии, квантовой медицине; она служит теоретической базой материаловедения, электроники, атомной энергетики, лазерной техники – разделов, которые определяют современный научно-технический прогресс. 5.4.1 Основные идеи и принципы квантовой механики 1) Квантование и дискретность Квантование от слова квант (порция) означает, что некоторые физические величины, описывающие микрообъект, в определённых условиях могут принимать только определённые значения, которые образуют дискретный (прерывный) ряд значений. Квантуется энергия любого микрообъекта, помещённого в ограниченное пространство, например, энергия электрона в атоме, в то время, как энергия свободно движущегося электрона не квантуется. Квантование энергии означает, что электрон в атоме может иметь лишь некоторый дискретный набор её значений. Каждое значение энергии называют энергетическим уровнем или стационарным состоянием. В стационарном состоянии атом не излучает. Излучение (так же, как и поглощение) возникает при переходе из одного стационарного (квантового) состояния в другое, причём переходы эти происходят скачками. Этим и объясняются линейчатые спектры атомов. Квантование и дискретность есть главная особенность явлений, происходящих в микромире. 2) Корпускулярно-волновой дуализм микрочастиц В 1924 году французский физик Луи де Бройль высказал смелую гипотезу о том, что электрон подобен фотону, т.е. обладает не только корпускулярными свойствами (свойствами частицы), но и свойствами волны. Вскоре эта гипотеза была блестяще подтверждена экспериментально – К.Девиссон, Л.Джермер, У.Томпсон. Пропуская пучок электронов через кристаллическую решётку мишени, обнаружили дифракционное распределение максимумов и минимумов, подобных тем, что наблюдаются при дифракции света. Позже волновые свойства были обнаружены и у других микрочастиц, у атомов и отдельных молекул. Место для формулы. L = , Здесь h - постоянная Планка, m - масса микрочастицы, v - скорость её движения. Длина волны де Бройля обратно пропорциональна массе частицы, поэтому чем больше масса микрообъекта, тем меньше эта длина волны. Для классической частицы (макрочастицы) числовое значение этой длины волны пренебрежимо мало. По своей природе волны де Бройля не являются ни упругими, ни электромагнитными, это волны вероятности. Таким образом, не только свету присуща двойственная корпускулярноволновая природа, но и микрочастицы могут проявлять как волновые 47 свойства, так и свойства частиц. Это свойство вошло в науку как корпускулярно-волновой дуализм материи. Каждой частице материи присущи и свойства волны (в этом проявляется непрерывность), и свойства корпускулы ( в этом проявляется дискретность, т.е.способность образовывать кванты). 3)Соотношение неопределённостей и принцип дополнительности Соотношение неопределённостей Гейзенберга устанавливает степень пригодности к микрочастице тех понятий и величин, которые, строго говоря, ей несвойственны. Например, состояние классической частицы (макрочастицы) определяется заданием её координат и импульса. Однако, когда говорят о движении микрочастицы, то с ней связан также некоторый волновой процесс и описание её движения несовместимо с представлением об определённых траекториях. Немецкий физик Вернер Гейзенберг сформулировал принцип неопределённостей, который математически записывается в виде: X P h 2 Здесь Х - неопределённость координаты, Р - неопределённость импульса. Смысл этого соотношения в том, что у микрочастицы невозможно одновременно точно определить её координату и импульс (или скорость). Это соотношение свидетельствует не о непознаваемости микромира (он познаваем!) – это соотношение является результатом двойственной природы микрочастиц ( и частица, и волна). В.Гейзенберг Соотношение неопределённостей для координаты и импульса – частный случай и конкретное выражение общего принципа дополнительности, сформулированного Н.Бором в 1927 году. Формулировка принципа дополнительности такова: Понятия частицы и волны дополняют друг друга и в то же время противоречат друг другу, они являются дополняющими картинами происходящего. В зависимости от способа наблюдения электрон, например, проявляет себя либо как волна, либо как частица, но одновременно эти свойства не проявляются. Противоречия корпускулярно-волновых свойств микрообъектов являются результатом неконтролируемого взаимодействия микрообъектов и макроприборов. В экспериментах мы наблюдаем не реальность как таковую, 48 а лишь явления, включающие результат взаимодействия прибора с микрообъектом. В квантовой механике состояние микрочастицы описывается с помощью волновой функции, которая сама является функцией координат и времени. Находят волновую функцию из уравнения Шредингера, которое в квантовой физике играет такую же роль, как законы Ньютона в классической физике. Волновая функция описывает не волны материи, а волны вероятности. Квадрат амплитуды волновой функции определяет вероятность нахождения частицы в данный момент времени в определённом ограниченном объёме. Вероятностная трактовка волновой функции отражает присущие микрообъектам элементы случайного в их поведении. Таким образом, предсказания в квантовой механике имеют вероятностный характер, а физика микрообъектов – принципиально статистическая теория. Соотношение неопределённостей для координаты и импульса – частный случай и конкретное выражение общего принципа дополнительности, сформулированного Н.Бором в 1927 году. Формулировка принципа дополнительности такова: Понятия частицы и волны дополняют друг друга и в то же время противоречат друг другу, они являются дополняющими картинами происходящего. В зависимости от способа наблюдения электрон, например, проявляет себя либо как волна, либо как частица, но одновременно эти свойства не проявляются. Противоречия корпускулярно-волновых свойств микрообъектов являются результатом неконтролируемого взаимодействия микрообъектов и макроприборов. В экспериментах мы наблюдаем не реальность как таковую, а лишь явления, включающие результат взаимодействия прибора с микрообъектом. 5.4.2 Эволюция представлений о строении атома. Представления о том, что все вещества состоят из атомов пришли к нам из древности и дошли до наших дней. Древнегреческие и римские мыслители (в первую очередь, Демокрит, Эпикур )считали атом последней неделимой частицей – «первокирпичиком» материи. Такое представление об атомах существовало на протяжении веков, и только в конце 19 века изучение свойств катодных лучей и явления радиоактивности привело к выводу о том, что атом имеет сложное строение. Так как же устроен атом ? На этот вопрос искали ответ много разных учёных, но наиболее точная информация о строении атома была получена английским физиком Э.Резерфордом после проведённых им опытов по рассеянию альфа- частиц при прохождении ими через тонкую фольгу. Результаты опытов привели к созданию так называемой планетарной модели атома: вокруг положительного ядра, имеющего заряд Zе ( Z –порядковый номер элемента в таблице Менделеева, е – элементарный заряд, е=1,6 · 10-19 Кл ) по замкнутым орбитам движутся электроны, образуя отрицательную электронную 49 оболочку. Атом в целом электрически нейтрален, т.к. положительный заряд ядра компенсируется отрицательным зарядом электронной оболочки. Размер атома – около 10-10 м. (Эта модель напоминает нашу планетную систему, в центре которой находится Солнце, а вокруг него обращаются планеты.) Однако, с точки зрения классической физики, такая модель была несостоятельной – она не могла объяснить устойчивость атомов и происхождение их линейчатых спектров . Возникшие трудности требовали создания новой теории. Первую попытку в создании такой теории предпринял в 1913 году датский физик Нильс Бор. Из постулатов, получивших его имя, следовало, что в атоме такие характеристики электрона, как энергия, импульс, скорость движения по орбите, радиус орбиты принимают не любые значения, а только вполне определённые – они квантуются, образуя дискретный ряд значений. Излучение и поглощение Бор связал с квантовыми переходами атома из одного состояния в другое. Его теория блестяще объяснила происхождение линейчатых спектров атомов водорода. Но построить подобную теорию для более сложных атомов Бору не удалось. Бор по существу «перебросил мостик» из классической физики в физику квантовую, которой в тот момент ещё не было. В настоящее время теория Бора представляет для нас исторический интерес, она явилась начальным этапом в построении квантово-механической модели атома. Состояние электронов в атоме определяется с помощью квантовых чисел: главного квантового числа n, орбитального l, магнитного m и спинового s. Выше были рассмотрены основные квантово-механические принципы, с учётом которых электрон обладает ещё и волновыми свойствами – следовательно, его нельзя представлять только как частицу, обращающуюся вокруг ядра атома. С учётом соотношения неопределённостей Гейзенберга, неправомерно говорить и об орбите электрона. С современной точки зрения, заряд электрона как бы размазан с различной плотностью в атоме и образует так называемое электронное облако, форма которого зависит от состояния электрона (см. рисунок). Размеры электронного облака увеличиваются с ростом главного квантового числа n пропорционально квадрату этого числа. Электронная плотность облака характеризуется вероятностью обнаружить электрон в данной точке пространства. Орбита представляет собой геометрическое место точек, в которых с наибольшей вероятностью может быть обнаружен электрон. 50 51 5.4.3 Строение атомного ядра. Элементарные частицы. Понятие о кварках и ускорителях элементарных частиц Ядро атома имеет размер 10-15 м. и состоит из положительно заряженных протонов и нейтральных нейтронов., которые называют нуклонами. Протон и нейтрон – тяжёлые частицы, масса каждой из них почти в 2000 раз превышает массу электрона. Отсюда понятно, почему основная масса атома сосредоточена в его ядре. Основными характеристиками ядра являются массовое число А ( определяет суммарное количество нуклонов в ядре) и зарядовое число Z (равно числу протонов в ядре и соответственно числу электронов в атоме). Нуклоны в ядре связаны между собой ядерными силами. Напомним, что это самые сильные из всех фундаментальных взаимодействий, они являются короткодействующими и обладают зарядовой независимостью. В конце 20-го века возникла идея кварковой природы материи. Кварки - это фундаментальные частицы, из которых состоят все так называемые элементарные частицы. В свободном состоянии кварки не существуют, они имеют дробный электрический заряд по отношению к заряду электрона. Физики пришли к заключению о том, что существует 52 шесть типов кварков: u (2/3) , d (-1/3) , s (-1/3), c(2/3) , t (2/3) , b (-1/3) . Рядом с обозначением кварка в скобках указана величина заряда по отношению к заряду электрона. Например, нейтрон состоит из одного u- кварка и двух dкварков (обозначается (udd), протон из одного d - кварка и двух uкварков(duu)/. Свойства кварков изучает квантовая хромодинамика. Элементарные частицы в настоящее время разделяют на следующие классы. 1. Фотоны – кванты электромагнитного поля, частицы с нулевой массой покоя (т.е. существовать могут только в движении со скоростью света) и участвуют в электромагнитном взаимодействии. 2. Лептоны – лёгкие элементарные частицы, к числу которых принадлежат электроны, нейтрино и др. Участвуют в слабом взаимодействии, а заряженные частицы – ещё и в электромагнитном взаимодействии. 3. Мезоны – нестабильные элементарные частицы, участвующие в сильном взаимодействии. 4. Барионы – тяжёлые элементарные частицы, к которым относятся протоны, нейтроны, гипероны и другие, участвующие в фундаментальных взаимодействиях всех четырёх видов Барионы и мезоны являются сильновзаимодействующими частицами и по этому признаку объединены в класс адронов. Выше обращалось внимание на то, что объекты микромира не доступны нашему непосредственному восприятию, поэтому нужны специальные технические средства для изучения свойств микрочастиц, называемые ускорителями элементарных частиц. В этих сооружениях с помощью электрических и магнитных полей заряженные частицы разгоняют до огромных энергий (порядка тысяч гигаэлектронвольт). Сформированный ускорителем пучок заряженных частиц (например, протонов или электронов) направляют на специально подобранную, исходя из задач эксперимента, мишень, при соударении с которой рождается множество разнообразных вторичных частиц. Регистрируются эти новые частицы с помощью специальных детекторов, при этом определяется их масса, заряд, скорость и другие характеристики. 53 Адронный коллайдер Если бы ускорители создавались по принципу телевизионной трубки, т.е. были бы линейными, то вакуумные камеры, в которых движутся частицы, должны были бы иметь длину в сотни километров. Чтобы этого избежать, рабочую камеру ускорителя делают кольцевой в форме огромного тора, при многократном прохождении которого электрическое поле многократно ускоряет движущиеся заряженные частицы до огромных энергий. Если мишень заменить встречным пучком частиц, то такой ускоритель называют коллайдером. Самый большой ускоритель – адронный коллайдер построен в Швейцарии на глубине 100м под землёй с длиной рабочей камеры 27 км. Энергия сталкивающихся частиц соответствует 10 Тэв(тераэлектронвольт). Для достижения такой энергии протоны должны лететь почти со световой скоростью. При этом каждый протон за одну секунду пролетит по 27-километроавому кольцу 11000 раз ! Физики надеются , что при немыслимых энергиях сталкивающихся частиц удастся получить важные сведения о процессах не только микромира, но и процессах, происходящих во Вселенной. Может, в результате такого эксперимента (который планируется провести в 2009 году) удастся «расколоть» протон и выбить из него отдельные кварки; может, удастся обнаружить особые частицы, отвечающие за массу элементарных частиц – бозон Хиггса; может, удастся воспроизвести условия возникновения нашей Вселенной. Разработкой такого коллайдера занималось в течение 20 лет более 1500 учёных из США. России, Японии, Франции и др., которые объединены в Европейский центр ядерных исследований – ЦЕРН. 54 5.5 КОНЦЕПЦИИ МЕГАМИРА Мегамир так же, как и микромир, недоступен нашему непосредственному восприятию- это мир звёзд, планет, галактик. Это мир, где расстояния измеряются не километрами и метрами, а световыми годами, парсеками, мегапарсеками. Космология - это наука о космосе, о самой крупномасштабной системе материальных объектов, наука о Вселенной. Космология основывается на астрономических наблюдениях, на общей теории относительности, на физике высоких энергий и других теориях. Своё начало космология берёт в античном мире. Итогом развития античной космологии явилась геоцентрическая концепция Птолемея ( в центре Вселенной находится Земля), которая просуществовала до Средневековья ( до 15 века). Основателем научной космологии является Николай Коперник – создатель гелиоцентрической системы - в центре находится Солнце, а вокруг него движется пять планет, за которыми располагалась твёрдая сфера с закреплёнными на ней звёздами. В начале 17 века Галилей с помощью 30-кратного телескопа сделал ряд открытий: увидел горы на Луне, спутники Сатурна и Юпитера; обнаружил, что Млечный Путь представляет скопление огромного множества звёзд и т.д. Происходило становление научной космологии, сопровождающееся отказом от представлений о том, что Земля или Солнце являются центром Вселенной. Кеплер установил законы движения планет, а Ньютон установил закон, который управляет этим движением – закон всемирного тяготения. Все эти открытия сочетались с представлениями о вечности и бесконечности Вселенной. Это была классическая модель Вселенной, которая просуществовала до начала 20 века. Однако уже в 19 веке в науке появились так называемые парадоксы, которые нарушили стройность классической модели Вселенной, поставив под сомнение её вечность и бесконечность. Эти парадоксы оставались неразрешимыми до 20-х годов 20 века – до создания общей теории относительности. 5.5.1 Современные представления о Вселенной Изучение Вселенной основано на нескольких предпосылках: 1) открытые физикой универсальные законы природы (например, законы сохранения) справедливы и во Вселенной; 2) результаты астрономических наблюдений распространяются на всю Вселенную; 3) истинными признаются только те космологические выводы, которые не противоречат возможности существования человека (антропный принцип). Вселенная уникальна, поэтому все заключения о её возникновении и эволюции называются моделями. Наиболее общепринятой является модель однородной изотропной нестационарной расширяющейся горячей Вселенной. 55 С точки зрения Эйнштейна, обитаемый нами мир есть четырёхмерная пространственно-временная непрерывность. В пространственном отношении Вселенная является конечной, замкнутой. Но конечная по объёму Вселенная в то же время безгранична подобно тому, как не имеет границ поверхность любой сферы. Вселенная конечна и во времени, вечность ей не присуща. Эйнштейн исходил из стационарности Вселенной. Однако русский физик и космолог А.А.Фридман (1888-1925), опираясь на выводы общей теории относительности Эйнштейна об искривлённом пространстве, в 1922 году заметил, что искривлённое пространство не может быть стационарным: оно должно расширяться или сжиматься. ( Эйнштейн признал свои заблуждения, согласившись с мнением А.Фридмана.). В 1926 году американский астроном Эдвин Хаббл экспериментально обнаружил факт разбегания галактик друг от друга, что подтвердило модель расширяющейся Вселенной. Во второй половине 20 века идея расширяющейся Вселенной получила своё дальнейшее развитие в работах другого русского физикакосмолога Я.Б.Зельдовича. Составной частью модели расширяющейся Вселенной являются представления о Большом Взрыве (БВ), который произошёл примерно 13-15 млрд. лет назад. Вселенная образовалась из возбуждённого физического вакуума. В начальном состоянии, которое называется космологической сингулярностью (состояние с бесконечно большой плотностью при бесконечно малом объёме), Вселенная представляла собой огромную ядерную каплю, которая оказалась в неустойчивом состоянии и взорвалась. В первые мгновения жизни Вселенной в ней было так горячо, что ни атомы, ни молекулы существовать не могли. В первые 10мкс после БВ материя Вселенной представляла кварк-глюонную плазму с чрезвычайно высокой температурой. Число образующихся частиц равнялось числу античастиц, но при остывании симметрия нарушилась и частиц стало чуть больше, чем античастиц. К концу первых трёх минут температура упала до 1млрд градусов, и в результате объединения протонов и нейтронов стали образовываться ядра водорода и гелия. Через несколько сотен тысяч лет начали образовываться атомы лёгких элементов, из которых в результате самопроизвольного синтеза впоследствии возникли другие элементы таблицы Менделеева, и далее вещество звёзд и планет. По мере расширения Вселенная остывала; охлаждалось и излучение горячей материи. То, что начальное состояние Вселенной характеризовалось очень высокой температурой, подтверждено открытым в 1965 году микроволновым фоновым излучением, которое получило название реликтового излучения. 5.5.2 Структура Вселенной Та часть Вселенной, которая доступна современным астрофизическим методам исследования, называется Метагалактикой. Метагалактика имеет ячеистую структуру, содержит несколько миллиардов галактик, которые 56 распределены не равномерно и представляют собой звёздные системы из десятков и сотен миллиардов звёзд, космической пыли и разреженного газа. Галактики могут иметь неправильную форму или форму эллипса, или спирали. Галактика, к которой принадлежит наша Солнечная система, называется Млечный Путь. Он имеет спиральную форму и напоминает сплюснутый шар, заполненный 150 миллиардами звёзд, из ядра которого отходит несколько спиральных звёздных ветвей. В ядре галактики сосредоточены самые старые звёзды. Чтобы представить размеры нашей галактики, достаточно сказать, что свет идёт от одного её края до другого около 100 тысяч земных лет. Так как скорость света конечна, то объекты неба мы видим в прошлом; например, Полярную звезду такой, какой она была примерно 6 веков назад ( столько времени свет от неё идёт до Земли), а галактику в созвездии Андромеды такой, какой она была 2 млн. лет назад. Виды галактик Примерно 97% вещества в нашей Галактике сосредоточено в звёздахгигантских плазменных образованиях различной величины, температуры, с различными характеристиками движения. Ближайшая к нам звезда – Солнце. Оно расположено на расстоянии около 30 000 световых лет от центра галактики, существует не менее 5 млрд. лет и является звездой второго или более позднего поколений. Это раскалённый плазменный шар, Солнце 57 радиусом примерно 700 000 км. В недрах Солнца протекают термоядерные реакции, которые создают там температуру порядка 15 млн. К, поверхность Солнца ( фотосфера) имеет температуру примерно 6000 К. Мощность излучения Солнца 3,86 кВт. Солнце – источник не только света и тепла, оно излучает также ультрафиолетовые, рентгеновские лучи и элементарные частицы. Интенсивность этих излучений зависит от уровня солнечной активности, которая не является постоянной. Цикл солнечной активности составляет чуть больше 11 лет. Солнце – далеко не самая большая звезда; например, в созвездии Цефея есть звезда, которая больше Солнца в 14 млрд. раз. Подобные звёзды называют гигантами или сверхгигантами. Есть, наоборот, звёзды с малыми размерами, но огромной плотностью (плотностью ядерного вещества). Такие звёзды называют нейтронными, т.к. состоят они в основном из нейтронов. Они являются импульсными источниками радиоволн различного диапазона, поэтому называются пульсарами. При сближении нейтронных звёзд их вещества под действием собственного тяготения подвергаются катастрофическому сжатию, происходит, как говорят, гравитационный коллапс и возникают чёрные дыры, существование которых было предсказано общей теорией относительности. Так, для того, чтобы звезда, масса которой равна массе Земли, превратилась в чёрную дыру, её необходимо сжать до радиуса 1 см , а Солнце – до 3 км. Это так называемый гравитационный радиус. Всё, что будет пролетать вблизи чёрной дыры, включая и свет, будет втягиваться внутрь сферы гравитационного радиуса и там исчезать. Чёрная дыра – это физическое тело, создающее столь сильное тяготение, что его свет остаётся внутри. Обнаружить их прямыми астрономическими наблюдениями невозможно, т.к. они не светятся. Обнаружить чёрную дыру можно по косвенным признакам, например, в системе двойной звезды, где партнёром чёрной дыры является обычная светящаяся звезда. Квазары – весьма удалённые объекты, которые имеют сравнительно небольшие размеры, но выделяют колоссальную энергию Периодически во Вселенной происходят вспышки новых и сверхновых звёзд. Такие звёзды неожиданно (в результате бурных физических процессов) увеличиваются в 58 объёме, сбрасывают свою газовую оболочку и в течение нескольких суток выделяют чудовищное количество энергии; затем, исчерпав свои ресурсы, они постепенно тускнеют и превращаются в газовую туманность. 5.5.3 СОЛНЕЧНАЯ СИСТЕМА Солнечная система находится в одном из «рукавов» нашей спиральной галактики и состоит из Солнца и восьми планет: Меркурий, Венера, Земля, Марс, Юпитер, Сатурн, Уран и Нептун. Кроме того, сюда входят десятки спутников планет, тысячи малых планет (астероидов), сотни комет, бесчисленное множество метеоритов. Подавляющая часть массы Солнечной системы сосредоточена в Солнце. 59 Солнце вместе со своими планетами движется в мировом пространстве со скоростью около 250 км/с вокруг центра галактики. В строении Солнечной системы есть свои закономерности: 1) почти все планеты, за исключением Венеры, вращаются против часовой стрелки и почти в одной плоскости; 2) каждая следующая планета удалена от Солнца в два раза дальше, чем предыдущая. Все планеты Солнечной системы подразделяют на планеты земной группы - это Меркурий, Венера, Земля и Марс, и планеты-гиганты: Юпитер, Сатурн, Уран, Нептун. До недавнего времени к числу планет Солнечной системы относили и Плутон, (хотя по своим характеристикам он 60 не совсем вписывался в общие закономерности Солнечной системы). Международное астрономическое сообщество приняло решение о переводе его в категорию малых планет; таких планет в составе Солнечной системы тысячи. Вещество планет земной группы имеет плотность примерно в 5,5 раза большую плотности воды. Плотность планет-гигантов примерно равна плотности воды. Различаются они и по химическому составу. В твёрдых оболочках планет земной группы преобладают железо, кислород, кремний, магний; у Юпитера и Сатурна – это водород, гелий, аммиак. Меркурий и спутник Земли Луна - безатмосферные миры. Днём они раскаляются до сотен градусов, а ночью остывают почти до абсолютного нуля. У Венеры, наиболее близкой к Земле и по размерам и по массе, температура у поверхности равна 460 градусам Цельсия, углекислотное атмосферное давление достигает 95 атмосфер. Марс вдвое меньше Земли по диаметру, тяготение там в несколько раз меньше земного. Под сухим и безжизненным верхним слоем, видимо, располагается мощный пласт водяного льда, который в летние дни на склонах, обращённых к Солнцу, тает, образуя ручьи и грязевые потоки. Достоверной теории, объясняющей происхождение Солнечной системы, пока не существует. Один из предполагаемых путей её возникновения – это катастрофический путь, связанный с предположением о том, что вблизи будущей Солнечной системы примерно 5-6 млрд. лет назад произошёл взрыв сверхновой звезды, результатом которого стало появление Солнца и протопланетного диска, который впоследствии распался на отдельные планеты. Предполагается, что образованию планет из протопланетного диска предшествовало возникновение твёрдых структур достаточно больших размеров (до сотен км в диаметре). С середины 19 века появилась небулярная гипотеза Канта-Лапласа, согласно которой планеты и Солнце появились путём сжатия газовой или пылевой туманности. 61 5.5.4 Земля - планета Солнечной системы Особое место в Солнечной системе принадлежит Земле – это единственная планета, на которой в течение миллиардов лет развиваются различные формы жизни. Возраст Земли составляет примерно 4,6 млрд. лет. Существует несколько гипотез о происхождении Земли. Почти все они 62 исходят из того, что исходным веществом для формирования Земли были межзвёздная пыль и газы, однако до сих пор нет ясного ответа на вопрос о том, откуда в составе Земли и других планет появились все химические элементы таблицы Менделеева. Нет однозначного мнения и о тепловом состоянии новорождённой Земли. Гипотеза Канта-Лапласа исходила из огненно-жидкого исходного состояния Земли, которая постепенно остывала. В 50-е годы 20 века появилась идея об изначально холодной Земле, которая начала разогреваться за счёт выделения тепла при распаде радиоактивных веществ, а так же за счёт столкновения уже образовавшихся твёрдых структур. Предполагается, что при таком разогревании начинают появляться оболочки и, прежде всего, силикатная мантия и железное ядро. За счёт выделившегося тепла на поверхности Земли стали образовываться газы и вода. Постепенно начали своё формирование атмосфера и гидросфера. Земля вращается вокруг оси с линейной скоростью 0,44 км/с, а вокруг Солнца – со скоростью 30 км/с. Средний радиус Земли 378 ·10 6 м, масса Земли 5,97 ·1024 кг, средняя плотность Земли 5,5 10 3 кг . Так же, как и другие м3 планеты, она имеет слоистое строение и состоит из земной коры, мантии и ядра. Средняя толщина земной коры несколько десятков км ( на материках 30-40 км, а под океаном до 10 км). Самая верхняя часть земной коры в значительной степени состоит из осадочных пород (останки вымерших животных и растений). Земная кора очень богата различными полезными ископаемыми: каменный уголь, нефть, газ, руды чёрных и цветных металлов. Вид Земли из Космоса 63 Внутреннее строение Земли Самая массивная часть Земли – мантия, составляет 83% объёма Земли и представляет невероятно вязкую жидкость. Температура её 20002500 С, состоит из различных силикатов. Происходящие в ней процессы обусловливают тектоническую и вулканическую активность. Земная кора вместе с верхней частью мантии образуют литосферу. Предполагается, что она разбита на крупные плиты (до нескольких тысяч километров в поперечнике), которые перемещаются в горизонтальном направлении, плавая в пластичном слое верхней мантии Литосферные плиты включают в себя не только материковую часть, но и прилегающую к ним океаническую кору. Они ограничены со всех сторон тектоническими и сейсмически активными зонами разломов Ядро имеет радиус примерно 3,5 тысячи километров, состоит из внешней жидкой оболочки и твёрдого субъядра, температура которого 5000 С, а плотность 12,5т/ Предполагается, что субъядро по своему составу похоже на железный метеорит – содержит 80% железа и 20% никеля. Внешняя жидкая оболочка ядра содержит 52% железа и 48% смесь железа с серой. Есть мнение, что магнитное поле Земли является результатом циркуляции потока расплавленных металлов во внешней оболочке ядра. Несмотря на высокую температуру, субъядро и мантия находятся в твёрдом состоянии: вещество в них находится под огромным давлением, при котором температура плавления гораздо выше, чем при нормальном давлении. Если же давление понижается, то вещество плавится и образуется раскалённая жидкая масса – магма, которая растекается по трещинам в 64 земной коре и там, где выходит на поверхность, происходит извержение вулкана. Гидросфера Земли включает в себя океаны, моря, реки, озера, подземные воды, ледники, снежники. Больше всего воды содержится в Мировом океане. Для своих нужд человек использует в основном пресную воду, которая составляет только 0,001% от всех мировых запасов воды. Ежегодно с поверхности Земли и океанов испаряется в воздух около 355 000 кубических километров воды. Примерно 90% этого количества выпадает в виде осадков, а остальная влага уходит под землю, консервируется в ледниках, осаждается на суше и реками выносится в океан. От такого непрерывного круговорота воды зависит климат и обмен веществ на всей нашей планете. Различают континентальный и морской климат. Под влиянием силы притяжения Луны происходят приливы и отливы, причём не только в водной оболочке Земли, но и в твёрдой и в воздушной. Воздушную оболочку Земли образует атмосфера, которая защищает нас от губительного космического излучения, от обжигающих солнечных лучей. Без атмосферы наша планета была бы безмолвной, т.к. в безвоздушном пространстве звук не распространяется. Плотность атмосферы с высотой уменьшается, температура её понижается, но химический состав атмосферы практически не меняется. Атмосфера на 78% состоит из азота и на 21% из кислорода. В небольших количествах туда входят диоксид углерода, аргон, гелий, водород, озон и др. Самая нижняя часть атмосферы – тропосфера простирается до 10км в полярных широтах и до 18 км в тропических широтах. Тропосферу называют фабрикой погоды – в ней образуются облака, дождь, снег, ветер. Выше тропосферы находится стратосфера – в полярных широтах простирается до 18 км, а вблизи экватора до 55 км. Здесь стоит неизменно ясная погода, но дуют сильные ветры. Это кладовая погоды. Между тропосферой и стратосферой происходит обмен воздушными массами, от которого и зависит погода. На высоте от 50 км начинается ионосфера, которая состоит из заряженных частиц (ионов и электронов), обладающих способностью отражать короткие радиоволны, что позволяет осуществлять дальнюю радиосвязь. Выше ионосферы располагается экзосфера - зона рассеяния атмосферы. Деление атмосферы на составные части весьма условно, хотя у каждой составляющей своя специфика. На стыке верхней части литосферы, гидросферы и нижней части атмосферы существует область активной жизни - биосфера, в которой совокупная деятельность живых организмов, в том числе и человека, проявляется как геохимический фактор планетарного масштаба. Наша Земля окружена ещё одной оболочкой – магнитной. Магнитосфера Земли с дневной стороны простирается на расстояние 8-14 радиусов Земли, а с ночной – вытянута на несколько сотен земных радиусов, образуя так называемый магнитный хвост. Исследования разрезов горных пород говорят о том, что магнитные полюсы (северный и южный) много раз менялись местами, происходила инверсия магнитного поля Земли. Считается, 65 что за 11 миллионов лет это происходило не менее 9 раз. Нынешняя полярность сохраняется примерно 500-800 тысяч лет и через какие-то тысячи лет по-видимому изменится. Сам процесс переворота длится несколько тысяч лет. 5.5.5 Антропный принцип. Тонкая подстройка Вселенной. Сущность Вселенной невозможно понять до конца, не разобравшись в том, какое место занимает в ней жизнь и сам человек. Появление Разума во Вселенной по-видимому должно было иметь какой-то смысл и одним из вечных вопросов является вопрос о том, кто такой человек – венец развития Вселенной или что-то случайное, не отличающееся от других объектов природы? Современная наука подтверждает идею о том, что Земля уникальна: определённые физические параметры обеспечивают условия, необходимые для жизни человека. Речь идёт не только об удалённости нашей планеты от Солнца и постоянстве концентрации кислорода в атмосфере на протяжении многих тысяч лет. В космологических концепциях существует антропный принцип, суть которого состоит в том, что существование той Вселенной, в которой мы живём, зависит от фундаментальных физических констант (гравитационной постоянной, постоянной Больцмана, постоянной Планка, элементарного электрического заряда и многих других), которые входят в математические формулировки многих основных законов Природы .Численные значения этих констант, измеренные экспериментально, определяют основные особенности нашей Вселенной, размеры планет, звёзд, атомов, ядер атомов и т.д. Если эти константы изменить на ничтожно малую величину, то станет невозможной не только жизнь, но станет невозможным существование самой Вселенной в том виде, в каком она есть. Создаётся впечатление, что кто-то (или что-то) беспокоится о нашем существовании и «подстраивает» Вселенную с помощью значений физических констант под такое состояние, которое может обеспечить возможность пребывания в ней человека. Из антропного принципа вытекает вывод о том, что возможность жизни тесно связана с законами природы. Тренировочный ТЕСТ по теме 5 1.Принцип глобального эволюционизма означает, что 1) материя, Вселенная в целом и во всех её элементах не могут существовать вне развития; 2) с течением времени энтропия замкнутой системы возрастает; 3) человек и природа участвуют в согласованном развитии. 2. Современная естественнонаучная картина мира базируется на знаниях 66 1) только физики; 2) физики, химии и биологии; 3) естественных и гуманитарных наук. 3. Расположите объекты природы в соответствии со структурными уровнями микро-макро-мега: 1) ядро атома, атом, молекула; 2) атом, кристалл, планета; 3) планета, Солнечная система, галактика. 4.Укажите правильную последовательность (от меньшего к большему) в структурной иерархии микромира: 1) атомы, ядра атомов, молекулы; 2) молекулы, атомы, элементарные частицы; 3)элементарные частицы, атомы, молекулы. 5. О каких объектах природы идёт речь, если известно, что они являются носителями дробного элементарного заряда, в свободном состоянии не существуют, а сила их взаимодействия пропорциональна расстоянию между ними? 1) Об электронах и позитронах; 2) Об элементарных частицах – кварках; 3) О гравитонах. 6. 1) 2) 3) Большой взрыв – это: Бомбардировка Хиросимы и Нагасаки в 1945 году; Падение астероида, погубившее динозавров; Общепринятая сейчас модель возникновения Вселенной. 7. Возраст Земли составляет примерно: 1) 13-15 млрд. лет; 2) 6-8 тыс. лет; 3) 4,6 млрд. лет. 8. 1) 2) 3) По современным представлениям, расширение Вселенной: Остановится и сменится сжатием; Будет замедляться, но никогда не остановится; Остановится лишь в бесконечно отдалённом будущем. 9.Движущей силой геологической и геотектонической активности Земли является: 1) непрерывно поступающая на Землю солнечная энергия; 2) продолжающаяся дифференциация вещества внутри Земли; 3) вращение Земли вокруг своей оси. 67 КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ по теме 5 1. Что представляет собой естественнонаучная картина мира? Чем принципиально отличается современная ЕНКМ от предыдущих картин мира? 2. Как изменили научную картину мира квантовая механика, теория относительности и синергетика? 3. В чём заключается корпускулярно-волновой дуализм света? Приведите примеры. Что такое дебройлевская длина волны? 4. Что изучает квантовая механика? Что такое квант? Запишите формулу М.Планка для энергии кванта света и объясните её физический смысл. 5. Рассмотрите основные квантово-механические принципы: квантование, дискретность, корпускулярно-волновой дуализм микрочастиц, соотношение неопределённостей Гейзенберга. 6. В чём заключается идея атомизма? Как изменились представления об атоме в 20 веке? 7. Что означает расширение Вселенной? Как оно было обнаружено? Охарактеризуйте основные стадии эволюции расширяющейся Вселенной. Какова структура Вселенной? 8. Раскройте сущность антропного принципа. Что означает выражение «тонкая подстройка Вселенной»? 9. Современные представления о происхождении Солнечной системы и планеты Земля. 10. Какой вклад в создание научной космологии внесли А.Эйнштейн, Фридман и Э.Хаббл? Тема 6 ХИМИЧЕСКИЕ КОНЦЕПЦИИ 6.1 Место химии в современном естествознании В процессе развития цивилизации человечество овладевало веществом, энергией, информацией и одно из ведущих мест в этом процессе принадлежит химии. Химия – это наука о веществах и законах, по которым происходит превращение одних веществ в другие. Своими корнями химические знания уходят в древность, а подлинной наукой она стала в середине 18 века. Её становление было связано с трудами М.В.Ломоносова, А.Л.Лавуазье и др. В 19 веке английский физик и химик Дж.Дальтон заложил основы химической атомистики. Он впервые ввёл понятие «атомный вес» и определил атомные веса некоторых химических элементов. В 1811 году итальянский физик и химик А.Авогадро ввёл понятие молекулы и способствовал развитию атомно-молекулярных представлений. В 1861 году выдающийся русский химик А.М.Бутлеров создал и обосновал теорию химического строения вещества, согласно которой свойства веществ определяются порядком связей атомов в молекулах и их взаимным влиянием. В 1869 году Д.И.Менделеев открыл 68 один из фундаментальных законов естествознания - периодический закон химических элементов, современная формулировка которого такова: свойства химических элементов находятся в периодической зависимости от электрического заряда их ядер. В процессе эволюции химической науки в ней происходила смена одних концепций на другие и она прошла последовательно через следующие этапы: учение о составе веществ, структурная химия, учение о химических процессах, и в настоящее время развивается эволюционная химия. Причём каждый этап в химическом познании мира опирался на предыдущие достижения, сохраняя в себе всё необходимое для дальнейшего развития. Химия это одна из наук о природе и не всегда можно провести чёткую границу между химическими процессами и физическими, между химическими и биологическими. В частности, жизнь можно рассматривать как сложную цепь химических превращений, поскольку все живые организмы поглощают из окружающей среды одни вещества и выделяют другие. На стыке химии и других наук появились биохимия, агрохимия, геохимия, физическая химия и др. Энергетика, металлургия, лёгкая, пищевая, фармацевтическая промышленности, сельское хозяйство во многом зависят от развития химии. С современной точки зрения её основное предназначение – это получение веществ с необходимыми свойствами: сверхпрочных и в то же время пластичных, выдерживающих сверхвысокие давления и температуры, не меняющих своих свойств при очень низких температурах, сверхпроводящих и т.д. Примером таких веществ являются фуллерены – это молекулы – многогранники, состоящие из нескольких десятков атомов углерода. Химические технологии и связанное с ними промышленное производство охватывают в основном все важнейшие сферы производства. Вместе с тем химия требует разумного к себе отношения. В противном случае может наступить экологическая катастрофа или просто нежелательные последствия в виде изменения климата, сокращения плодородия почв, непредсказуемые генетические изменения растений и животных вплоть до их исчезновения ( в том числе и самого человека). Поэтому учёным-химикам, управленцам следует искать такие способы производства необходимых веществ и материалов, разрабатывать такие технологии, которые бы не оказывали губительного влияния на природу, на окружающую среду. 6.2 Химический элемент. Химические вещества Химический элемент – это атом. Линейные размеры атома. составляют величину порядка 0,1 нанометра. В периодической системе элементов Д.И.Менделеева насчитывалось 62 элемента, последним стоял уран (зарядовое число Z = 92). Предполагается, что на ранней стадии развития Земли существовали и трансурановые (заурановые) элементы, но будучи радиоактивными, они распались. Сравнительно недавно из 69 калифорнийского минерала удалось выделить плутоний (зарядовое число которого Z =94), который в настоящее время считается самым тяжёлым (и самым последним в таблице Менделеева) природным элементом. На сегодня известно 116 химических элементов, причём те, что стоят после плутония, были зарегистрированы в лабораторных условиях. Элементы под номерами 104, 105, 106 и 107 были открыты в Объединённом институте ядерных исследований в Дубне (под Москвой). В 1997 году международный союз ученых узаконил названия новых элементов в честь учёных: курчатовий, резерфордий, борий, менделевий и др. Трудности в получении всё более тяжёлых новых элементов обусловлены их коротким временем жизни, т.е. их радиоактивностью. Основу современной химии составляет квантовая механика, опираясь на которую, учёным удалось рассчитать, что между № 114 и № 164 должны быть «островки» стабильности. Предполагается, что свойства элементов с № 112 по №118 аналогичны свойствам элементов в ряду ртуть - радон (в современной таблице Менделеева эти новые предполагаемые элементы обозначены как экартуть, экаполоний и т.д.). Для синтеза этих химических элементов необходимы колоссальные энергии. Атомы могут соединяться друг с другом, образуя молекулы. Молекула – это наименьшая частица вещества, которая сохраняет все его свойства. Например, если измельчить поваренную соль, то каждая крупинка будет состоять из огромного количества молекул соли; если эту соль растворить в воде, где вещество разбивается на отдельные молекулы, то каждая молекула продолжает проявлять свойства соли (раствор будет иметь солёный вкус).Если же разрушить молекулу соли , то вещества в виде соли уже не будет, а будут другие вещества. Или другой пример. Если взять молекулу воды, которая состоит из двух атомов водорода и одного атома кислорода (Н2О), то при удалении из этой структуры хотя бы одного атома (кислорода или водорода) приведёт к тому, что оставшаяся часть уже не будет водой. Химические вещества подразделяют на простые и сложные. Простые вещества являются основой всей живой и неживой природы, а следовательно, и всей Вселенной. Например, в составе земной коры, морской воды и атмосферы содержится примерно Кислорода 49,5 % Кремния 25,3 % Алюминия 7,5 % Железа 5,08 % Кальция 3,39 % Натрия 2,63 % Калия 2,4 % Магния 1,93 % Водорода 0,87 % остальных менее 1% . 70 Большинство веществ, находящихся в естественных условиях являются сложными, т.е. состоят в соединении друг с другом. Число таких веществ в настоящее время составляет 20 млн. 6.3 ХИМИЧЕСКИЕ СВЯЗИ Химическая связь – это та причина, которая приводит к такому взаимодействию атомов, при котором они соединяются в молекулы или кристаллы. Для возникновения химической связи внутренняя энергия образовавшейся молекулы должна быть меньше, чем суммарная энергия исходных изолированных атомов – это необходимое условие, обеспечивающее устойчивость образовавшейся молекулы. Силы, действующие при образовании химической связи, носят в основном электрическую природу (притяжение разноимённых зарядов и отталкивание одноимённых). За счёт этих сил происходит перестройка электронных оболочек взаимодействующих атомов, причём в первую очередь этой перестройке подвержены оболочки внешних – валентных- электронов. Основными типами химической связи являются металлическая , ковалентная, ионная и водородная. Металлическая связь образуется за счёт обобществления всех валентных электронов взаимодействующих атомов. Например, при образовании кристалла натрия все валентные электроны ( а их по одному у каждого атома) становятся обобществлёнными и образуют так называемый электронный газ, а оставшаяся часть каждого атома становится положительным ионом, который остаётся в узле кристаллической решётки. 71 Ковалентная связь возникает при парном обобществлении валентных электронов. Примером молекул с ковалентными связями могут быть молекулы водорода Н2 , воды Н2О , метана и др. Ионная связь образуется за счёт переноса электронов от одного атома к другому, в результате которого возникают ионы разных знаков. Например, поваренная соль NaCl , соляная кислота HCl и др. Из рассмотренных типов связей следует, что во всех случаях образования химической связи при потере, присоединении или обобществлении валентных электронов электронная конфигурация атома становится такой же, как у атома инертного (благородного) газа, находящегося в конце того же периода периодической таблицы элементов, что и данный элемент, или в конце предыдущего периода таблицы. Атомы всех благородных газов имеют на внешней оболочке по восемь электронов, за исключением гелия, у которого эта оболочка единственная и на ней два электрона. 6.4 Химические реакции. Реакционная способность Химическая реакция – это превращение одних веществ в другие, когда появляется новое вещество. В этих процессах ядра атомов не участвуют, а все изменения происходят только во внешних электронных оболочках атомов, которые приводят к разрыву одних химических связей и образованию других. Способность вещества соединяться с другим веществом в определённом количественном соотношении характеризуется валентностью. Для записи химических реакций используют сокращённые формулы веществ, из которых записывается уравнение реакции. Например, в результате присоединения молекулой углерода молекулы кислорода образуется молекула углекислого газа: С + О2= СО2 ( 1 ) Компоненты левой части равенства называются реагентами, а в правой части – продуктами реакции. В уравнениях химических реакций переставлять местами левую и правую части уравнения нельзя, т.к. получится совсем другая реакция: С О2= С + О2 ( 2 ) Реакция (1) является реакцией соединения, реакция (2) - реакцией разложения. Каждая химическая реакция характеризуется определённым энергетическим эффектом, т.е. при каждой химической реакции происходит выделение (экзотермическая реакция – реакция (1) ) или поглощение энергии (эндотермическая реакция – реакция (2) ). Химическая энергия может перейти в тепловую (при сжигании топлива, например), в механическую (во взрывчатых веществах), в электрическую (в гальваническом элементе) и т.д. 72 Скорость протекания химических реакций зависит от температуры, давления и концентрации реагентов. Реакционной способностью обладают не все молекулы, а наиболее активные, имеющие некоторую избыточную энергию – энергию активации, которой можно управлять (увеличивать или уменьшать) с помощью специальных веществ – катализаторов, которые непосредственно в реакции не участвуют. Положительные катализаторы увеличивают скорость протекания реакции, отрицательные – уменьшают. Катализ широко используется в современных химических технологиях 6.5. Биохимические концепции Установлено, что из сотни химических элементов, встречающихся в земной коре, для жизни необходимы только 16, причём четыре из них (водород, кислород, углерод и азот) наиболее распространены в живых организмах и составляют примерно 99% массы живого. Биологическое значение этих элементов обусловлено их в а л е н т н о с т ь ю и способностью образовывать прочные к о в а л е н т н ы е связи. Одним из самых распространённых веществ на Земле является в о д а , которая на нашей планете может существовать в трёх агрегатных состояниях – твёрдом, жидком и газообразном. Из воды в основном состоит почти всё живое, она является прекрасным растворителем. Уникальные свойства воды связаны со структурой её молекул: молекула изогнута под углом 105° , в вершине которого находится кислород, который, в свою очередь, ковалентно связан с двумя атомами водорода. Кислород притягивает к себе электроны сильнее, чем водород, поэтому молекула воды является полярной. Друг с другом молекулы воды соединяются водородными связями .Из-за своей полярности вода хорошо растворяет другие полярные соединения, ионные вещества. Распад вещества на ионы при растворении называется диссоциацией. Вещество является кислотой, если оно диссоциирует в воде с образованием ионов водорода, и основанием - если способно в растворе присоединять ионы водорода или образовывать гидроксильные группы ОН. Кислотность или щёлочность раствора характеризуется показателем рН. Когда вещество переходит в раствор, его молекулы или ионы получают возможность двигаться более свободно и от этого возрастает реакционная способность. Поэтому большая часть реакций в живой клетке происходит в водном растворе. Вода как растворитель играет большую роль в транспортировке разных веществ по организму (в крови, в лимфатической системе, в пищеварительной системе и т.д.). Вода служит стабильной средой обитания для многих клеток и организмов, обеспечивая значительное постоянство внешних условий. Уникальны и тепловые свойства воды. Плотность воды в жидком состоянии больше, чем в твёрдом – лёд легче воды и не тонет в ней. (Такими свойствами обладают ещё висмут и чугун). При температуре от +4 до 0 73 плотность воды уменьшается лёд образуется сначала у поверхности воды и только под конец – около дна. Малая плотность льда спасает животных – лёд плавает на поверхности и не пропускает холодный воздух вглубь, где находятся живые организмы. Удельная теплоёмкость воды больше, чем у других жидкостей. Поэтому поглощение и отдача теплоты водами мирового океана не приводят к существенному изменению температуры воды и атмосферы. Таким образом, все жизненные процессы происходят в водных растворах, вода является основным участником процессов метаболизма С точки зрения химии, ж и з н ь связана с взаимными превращениями различных молекул, главным элементом которых является у г л е р о д. В земной коре углерода всего около 0,055%. В чистом виде углерод существует в виде графита и алмаза. Изучением соединений углерода занимается органическая химия. При химических реакциях углерод способен присоединить 4 электрона и образовать прочную ковалентную связь, например, молекулу метана СH4. Атомы углерода могут соединяться друг с другом разными способами, образуя различные цепи и кольца, и присоединять к себе различные атомы - отсюда вытекает такое большое разнообразие органических веществ. Углерод входит в состав белков, жиров, углеводов, гормонов, витаминов. Важным для жизни классом органических соединений являются а м и н о к и с л о т ы . Каждая аминокислота содержит карбоксильную группу СООН и аминогруппу NH2, присоединённые к одному атому углерода. К этому же атому присоединена одна из белковых групп. Из-за такого строения аминокислоты обладают свойствами как кислот, так и оснований (амфотерностью), а их молекулы в зависимости от условий среды могут существовать как анионы, катионы или нейтральные соли. В живых организмах аминокислоты используются для синтеза белков: растения могут синтезировать их из простых веществ, а в животные организмы они должны поступать с пищей, поэтому их называют незаменимыми. Аминокислоты образуют цепи - п о л и п е п т и д ы и являются мономерами для белков, в которые входят 20 аминокислот. Молекула гемоглобина, например, состоит из 4-х полипептидных цепей, каждая из которых содержит 145 аминокислот. Белки представляют собой большие молекулы, в которых аминокислоты нанизаны, как бусинки, на нить. (до 1000). Различные белки образуются из различных последовательностей аминокислот, которые записываются в виде алфавита из 20 букв. Составить последовательность из 1000 по 20 можно огромным числом способов, и каждому такому распределению соответствует определённый белок. Белки играют первостепенную роль в процессах жизнедеятельности всех живых организмов. Н у к л е о т и д ы состоят из азотистого основания, углевода и остатка фосфорной кислоты. Из четырёх нуклеотидов построены и другие крупные молекулынуклеиновые кислоты, тоже входящие в состав живой клетки. Нуклеиновые 74 кислоты представляют собой уже не цепи, а винтовые спирали. Порядок нуклеотидов в ДНК обеспечивает определённый порядок аминокислот в белках. Существует два типа нуклеиновых кислот – ДНК и РНК. Дезоксирибонуклеиновая кислота (ДНК) содержит генетическую информацию о последовательности аминокислот в полипептидных цепях и определяет саму структуру белков. Рибонуклеиновая кислота (РНК) несёт ответственность за создание белков. Порядок расположения составляющих молекулы ДНК и РНК нуклеотидов определяет порядок расположения аминокислот, а также их воспроизведение в первичных структурах белков. Следовательно, через молекулы нуклеиновых кислот передаётся информация о различных наследственных свойствах структур живых организмов и идёт реализация механизма наследственности. Всё живое на Земле зависит от ф о т о с и н т е з а, который связан с превращением зелёными растениями и некоторыми микроорганизмами лучистой энергии Солнца в энергию химических связей органических веществ. Ежегодно в результате фотосинтеза на Земле образуется 150 млрд. тонн органических веществ, усваивается 300 млрд. тонн углекислого газа и выделяется около 200млрд. тонн кислорода. ТРЕНИРОВОЧНЫЙ ТЕСТ по теме 6 1.В современной таблице Менделеева элементы располагаются в порядке: 1) возрастания атомных масс; 2) возрастания зарядовых чисел ядер атомов; 3) возрастания валентности химических элементов. 2.Какое из фундаментальных реализуется в химической связи ? 1) гравитационное; 2) электромагнитное; 3) ядерное. физических взаимодействий 3. Горение органического топлива является примером реакции: 1)эндотермической; 2)экзотермической; 3)расщепления. 4. Способность воды растворять ионные вещества и тем самым обеспечивать жизнедеятельность клетки обусловлена тем, что: 1)молекулы воды содержат кислород; 2)молекулы воды сильно полярны; 3)вода содержит ионы. 75 5. Жизнь на Земле основана на: 1) углероде; 2) кислороде; 3) водороде. КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ по теме 6 1.В чём состоит специфика химического познания природы? Каковы основные проблемы химии в системе современного естествознания? 2.Назовите и прокомментируйте основные законы химии. 3.Охарактеризуйте предбиологическую химическую эволюцию. 4. Что такое химический элемент, химическое вещество, химическая реакция? 5.Что представляет собой химическая связь? Рассмотрите особенности металлической, ковалентной и ионной связей. ТЕМА 7. БИОЛОГИЧЕСКИЕ КОНЦЕПЦИИ Биология представляет собой совокупность наук о живой природе, она устанавливает общие и частные закономерности, присущие жизни во всех её проявлениях. Биология возникла и долгое время развивалась как описательная наука, осуществлявшая анализ и классификацию огромного эмпирического материала. Многообразие биологических наук обусловлено многообразием живого мира. К настоящему времени биологами исследовано 500 тысяч растений, 1,2 миллиона животных, сотни тысяч грибов, около 3 тысяч бактерий и т.п., и это составляет только две трети существующих видов. Перед современной биологией по-прежнему стоит задача классификации всего многообразия живых организмов. В 20 веке биологическое знание приобрело объяснительный характер. Современная биология использует генетический и системно-структурный подходы; она тесно связана не только с другими естественными науками, но и с гуманитарными и социальными знаниями. Всё ближе подходя к разгадке тайны жизни, человечество сталкивается с множеством мировоззренческих проблем, решение которых необходимо, в том числе и в целях самосохранения и выживания. Новые биологические данные изменяют ту картину мира, которая на протяжении длительного времени формировалась физикой. Биология становится тем основанием, на котором формируются новые мировоззренческие принципы, определяющие самопонимание человека 21 века. 76 7.1 КОНЦЕПЦИИ ВОЗНИКНОВЕНИЯ ЖИЗНИ Проблема происхождения жизни относится к числу наиболее интересных. Вопросы, связанные с происхождением жизни, рассматриваются и в религии, и в философии. Существует несколько концепций: К р е а ц и о н и с т с к а я - жизнь была создана Творцом, причём в соответствии с текстами Библии из анализа возрастов и родственных связей упоминаемых в Библии лиц можно вычислить дату возникновения жизни В 1650 году ирландский архиепископ Ашер вычислил, что Бог сотворил мир в октябре 4004 года до н.э., а 23 октября в 9 часов утра – и человека. Однако это противоречит реальности, т.к. к тому времени на Ближнем Востоке уже была развита цивилизация. Как альтернатива креацианизму существовала концепция с п о н т а нн о го зарождения жизни. Так Эмпедокл и Аристотель исходили из того, что есть определённые частицы вещества, которые содержат некоторое активное жизненное начало. Такое начало есть в оплодотворённом яйце, в солнечном свете, в иле, в гниющем мясе и т.д. С распространением христианства идеи самозарождения жизни стали еретическими и долгое время их не вспоминали. В 1688г. итальянский биолог Ф.Реди. сформулировал свой принцип: всё живое - из живого на основе опытов с гниющим мясом, в котором появляются личинки мух ( маленькие белые черви). В 1860г. Пастер показал, что бактерии могут быть везде и заражать неживые вещества. Для избавления от них необходима стерилизация – пастеризация. Концепции самозарождения жизни придерживались Галилей, Декарт, Гегель, Ламарк. С концепцией в е ч н о г о с у щ е с т в о в а н и я жизни связано несколько гипотез. Одна из них – гипотеза панспермии: живое семя, живые споры переносятся во Вселенной с одного космического тела на другое с помощью солнечного ветра, метеоритов и т.д. В какой-то момент времени жизнь могла быть занесена на Землю из космоса Такой точки зрения придерживались Либих, Рихтер, Аррениус, русские учёные С.П.Костычев, В.И.Вернадский и др. В современной науке принята гипотеза а б и о г е н н о г о (небиологического) происхождения жизни под действием космических, геологических, химических факторов - а б и о г е н е з. Представители сторонников этой гипотезы Опарин, Холдейн. Первым этапом в процессе возникновения живого является химическая эволюция. В начале своего существования Земля имела температуру в несколько тысяч градусов. Постепенное остывание планеты сопровождалось тем, что тяжёлые химические элементы смещались к центру Земли, а лёгкие (водород, кислород, азот, углерод) скапливались у поверхности. По мнению академика Опарина атмосфера первичной Земли сильно отличалась от современной – она была бескислородной, насыщенной инертными газами. Именно в такой среде легко создаются органические соединения. Примерно через 1 млрд. лет по мере того, как формировалась оболочка Земли (в результате 77 вулканической деятельности происходил выброс на поверхность Земли различных карбидов – соединений углерода с металлами) началось формирование вторичной атмосферы. По мере остывания земной поверхности происходила конденсация водяных паров, что привело к появлению гидросферы. Карбиды смывались в первичный океан, где за счёт взаимодействия с водой возник первичный бульон, в котором осуществлялся дальнейший синтез сложных органических молекул - белков и нуклеиновых кислот. Возможность абиогенного синтеза биополимеров (белковых молекул и азотистых оснований) была экспериментально доказана в середине 20 века американским учёным С.Миллером. В первичном бульоне из разрозненных молекул постепенно возникли коацерватные капли. Коацерваты уже имели такие свойства, которые объединяли их с простейшими живыми организмами (они могли поглощать вещества из окружающей среды, вступать во взаимодействия друг с другом, увеличиваться в размерах и т.д.), но способности к самовоспроизводству они ещё не имели и приобрели эту способность в результате естественного отбора. Началом жизни считается возникновение стабильной самовоспроизводящейся органической системы с постоянной последовательностью нуклеотидов. 78 В настоящее время существует ещё одно объяснение перехода предбиологической эволюции к биологической, которое даёт синергетика. С точки зрения синергетики, возникновение одних форм материи из других могло происходить через спонтанное возникновение новых структур в ходе взаимодействия открытой системы с окружающей средой – самоорганизация материи. 79 7.2 СУЩНОСТЬ ЖИВОГО, ЕГО ОСНОВНЫЕ ПРИЗНАКИ. Вопрос о сущности живого является принципиальным и обсуждается в науке на протяжении нескольких веков. В 17-18 веках, когда господствовала механистическая картина мира, в классической биологии существовало два различных направления: редукционизм (от слова reductio- возвращать назад, отодвигать) и витализм. Сторонники редукционизма сводили все процессы жизнедеятельности живых организмов к совокупности определённых химических реакций. Виталисты объясняют специфику живых организмов наличием в них некоторой жизненной силы, сущность которой не была ясна. С современной точки зрения, жизнь – это не столько форма существования материи, сколько одна из форм самоорганизации материи. Ж и з н ь – это форма существования высокоорганизованных неравновесных открытых систем, в структуре которых решающую роль играют белки и нуклеотиды. Эти системы способны к обмену веществ, самовоспроизведению путём передачи наследственной информации и изменчивости на основе мутаций. Неотъемлемым свойством живого является деятельность, активность. Отдельные качества живого могут быть присущи и неорганическим системам, однако ни одна из них не обладает всей совокупностью перечисленных выше признаков. Существуют и промежуточные, переходные формы, которые объединяют в себе свойства живого и неживого, например, вирусы. Вне чужого организма они не проявляют признаков живого - не имеют собственного обмена веществ, не реагируют на раздражители, не способны к росту и размножению, т.е. они являются паразитами, но встраиваясь в клетки других организмов, они приобретают все признаки живого. Вирусы не погибают даже в вечной мерзлоте. Есть опасность, что к 2009 году Антарктида может быть поделена между государствами, начнутся разработки золота и других полезных ископаемых и появятся новые вирусы или те, которые существовали много лет назад.. Вирусы можно использовать для внесения в клетку каких-то полезных веществ или, наоборот, ядов для уничтожения, например, раковой клетки. Против вирусов эффективна только вакцинация, при этом он не погибает, а мутирует. По своей структуре вирусы очень похожи на гены, состоят из молекул нуклеиновой кислоты и молекул белка. Их называют иногда «взбесившимися» генами. Другим примером могут служить кристаллы- они растут, поглощают из окружающей среды нужные компоненты, чувствительны к внешним условиям, однако их нельзя отнести к живой материи. Академик Опарин был убеждён, что живые организмы должны обладать таким свойством, как «целесообразность строения». Занимаясь этим вопросом, он отмечал, что свойство целесообразности строения «пронизывает весь живой мир сверху донизу, до самых элементарных форм жизни». 80 7.3 СТРУКТУРНЫЕ УРОВНИ ЖИВОГО - это уровни масштабности, уровни организации живой природы. Жизнь на Земле представляет собой целостную систему, состоящую из различных уровней. Каждый уровень организации живого характеризуется собственными свойствами и закономерностями, а в целом вся иерархия живой природы позволяет представить её как целостную самоорганизующуюся систему, находящуюся в постоянном взаимоотношении с неорганической материей. На самом низшем уровне стоят в и р у с ы – это системы, состоящие в основном из двух взаимодействующих компонентов: молекул нуклеиновой кислоты и молекул белка. Вирус в переводе означает яд. Вирусы резко отличаются от других форм жизни, они являются внутриклеточными паразитами. На каждом уровне природы есть свои «первокирпичики». Так в физических формах материи таким первокирпичиком являются кварки, в химии - это атомы, в биологии – это к л е т к и, представляющие собой системы, состоящие из ядра, цитоплазмы и оболочки. Клетка является мельчайшей системой, которой присущи все признаки живого: метаболизм, гомеостаз, способность передавать наследственную информацию. Совокупность сходных по строению клеток и межклеточного вещества, объединённых выполнением общей функции, образуют ткань живого организма. Структурно-функциональное объединение тканей нескольких типов образуют орган. Целостная гармоничная система органов, специализированная для выполнения различных функций, образует организм. О н т о г е н е з - процесс индивидуального развития организма от рождения через последовательные морфологические, физиологические и биохимические изменения, процесс реализации наследственной информации. Термин «онтогенез» был введён в науку немецким биологом Э.Геккелем, который сформулировал основной биогенетический закон: в индивидуальном развитии организма (в онтогенезе) повторяются основные этапы филогенеза – развития вида, к которому принадлежит данный организм. Ф и л о г е н е з - это процесс исторического развития организмов, их видов, родов, типов. Следующий уровень - п о п у л я ц и я . Это совокупность особей одного вида, длительно занимающая определённое пространство и воспроизводящая себя в течение большого числа поколений. Популяция рассматривается как целостная открытая система, все элементы которой взаимодействуют друг с другом и с окружающей средой. Термин «популяция» был введён одним из основателей генетики В.Иогансеном. Б и о ц е н о з ы - это совокупность совместно обитающих и взаимодействующих между собой популяций растений, животных, грибов и микроорганизмов, населяющих определённую территорию. 81 Б и о г е о ц е н о з – это участок земли с определённым составом взаимосвязанных биотических (растения, животные, микроорганизмы) и абиотических (атмосфера, вода, почва, солнечная энергия) элементов, обменивающихся веществом, энергией и информацией. Биогеоценоз представляет собой единый природный комплекс – экосистему. Динамическое равновесие в экосистеме достигается благодаря гомеостазу. Для нормальной жизнедеятельности биогеоценоза необходимо сохранение всех или большинства его элементов. Выпадение даже одного из биогеоценоза элемента может повлечь за собой разрушение других , нарушение равновесия и распад экосистемы. Нарушение динамического равновесия между различными элементами биогеоценоза, связанное с массовым размножением одних видов и сокращением или исчезновением других, приводящее к качественным изменениям окружающей среды, называется э к о л о г и ч е с к о й к а т а с т р о ф о й. Наивысший структурный уровень - б и о с ф е р а – это целостная динамическая система, объединяющая живые организмы и среду их обитания. 7.4 КЛЕТКА КАК «ПЕРВОКИРПИЧИК» ЖИВОГО. ПОНЯТИЕ О СТВОЛОВЫХ КЛЕТКАХ На каждом уровне природы есть свои «первокирпичики». Так в физических формах материи таким первокирпичиком являются кварки, в химии - это атомы, в биологии – это к л е т к и, представляющие собой системы, состоящие из ядра, цитоплазмы и оболочки. Именно она является мельчайшей системой, которой присущи все признаки живого: метаболизм, гомеостаз, способность передавать наследственную информацию. Основы клеточной теории были заложены в 1838 году немецкими учёными М.Шлейденом и Т.Шваном. Основное положение этой теории заключается в том, что все живые организмы от амёбы до человека состоят из клеток, сходных по своему строению и функциям. Это ещё одно подтверждение того, что все виды живого имеют единое происхождение. Вместе с тем клетки специализированы и весьма разнообразны. Они могут существовать как одноклеточные организмы, а могут быть в составе многоклеточных Например, в организме человека их несколько миллиардов. Основными элементами клетки являются ядро, цитоплазма и оболочка. Каждая из этих составляющих имеет свою структуру. Оболочка клетки или мембрана контролирует переход вещества из окружающей среды в клетку и обратно. Состоит мембрана из двух слоёв молекул жироподобных веществ, между которыми находится слой молекул белков. Мембрана играет важную роль в жизни клетки, при повреждении мембраны клетка гибнет, а первым признаком умирания клетки являются начинающиеся изменения в проницаемости её оболочки. 82 Цитоплазма представляет собой водный соляной раствор с растворёнными и взвешенными ферментами и другими веществами. В составе цитоплазмы есть рибосомы, состоящие из белка и рибонуклеиновой кислоты (РНК), с помощью которых осуществляется синтез белка. Ядро содержит хромосомы – длинные нитевидные тельца, состоящие из дезоксирибонуклеиновой кислоты (ДНК) и присоединённого к ней белка. Размеры клеток от нескольких микрон до нескольких сантиметров. Форма клеток самая разная – шарики, кубики, цилиндры, диски, звёздочки или просто нити. Клетки растут и размножаются путём деления на две дочерних. Видоизменение клеток происходит постепенно в процессе развития организма. Каждый организм развивается из одной клетки – яйца, которое начинает делиться, и в конце концов образуется множество клеток, отличающихся друг от друга своей специализацией- мышечные, кровяные, нервные и т.д. Различие клеток определяется набором белков, которые синтезирует клетка. Так, например, клетки желудка синтезируют пищеварительный фермент – пепсин, который не образуется в других клетках. В любой клетке растения или животного есть полная генетическая информация для построения всех белков данного вида организма, но в клетке каждого типа синтезируются лишь те белки, которые ей нужны. Каждая клетка содержит генетический код-полную информацию обо всём организме. В генах «записана» и форма уха, и окраска радужной 83 оболочки глаз, и цвет кожи и волос и т.п. Но клетки животных, несмотря на то, что несут одинаковые гены, выполняют разные функции: одни формируют скелет, другие отвечают за иммунитет, третьи - проводят нервные импульсы и т.д. Однако из нервной клетки вряд ли удастся вырастить печёночную клетку. Возникает вопрос: существуют ли в принципе такие клетки, из которых можно было бы воссоздать какойлибо орган человека или животного ? Над этим вопросом учёные думали многие годы и только в 1981 году ответ был найден американским учёным Эвансом. Он выделил из зародыша мыши клетку – предшественницу всего мышиного организма – так называемую с т в о л о в у ю клетку. В 1998 году американские исследователи Томпсон и Беккер впервые получили стволовые клетки человека. С этого момента наука о стволовых клетках развивается невиданными темпами. Термин стволовая клетка произошёл от английского слова «stem», что означает стволовую часть дерева. Смысл его в том, что от стволовой клетки, как от ствола дерева , отходят в разных направлениях и ветвятся другие типы клеток. Какая из «веток» пойдёт в рост, зависит от типа химического сигнала, полученного стволовой клеткой. В роли такого сигнала обычно выступают молекулы веществ, которые учёные называют факторами роста. Больше всего молодых стволовых клеток содержится в человеческом зародыше. (В США на базе одной из клиник специально выращивают зародыши человека для получения из них стволовых клеток). После рождения количество стволовых клеток в организме начинает уменьшаться. Но и в организме взрослого человека они тоже есть, например, в костном мозге. Эти клетки способны превращаться в любые клетки! Стволовые клетки после выделения их из организма становятся бессмертными. Они бесконечно размножаются, совершенно не меняясь. Поэтому их можно выращивать в лабораториях в неограниченном количестве. Однако стоит только добавить в питательную среду специальное вещество (фактор роста), как начинается каскад превращений в любые другие клетки организма. Это свойство позволяет выращивать из стволовых клеток самые разные органы: печень, поджелудочную железу, нейроны для головного или спинного мозга. Сейчас стволовые клетки пуповинной крови используют для лечения десятков болезней, но многие учёные предупреждают, что нельзя спешить с внедрением этих технологий в практику (эти вопросы ещё недостаточно изучены и есть случаи, когда пересадка стволовых клеток приводит к отрицательным последствиям, например, к возникновению злокачественных опухолей). Биологическая особь может быть как одноклеточным организмом, так и многоклеточным – в любом случае он представляет собой целостную, самовоспроизводящуюся систему. Если одноклеточный организм не гибнет от внешнего воздействия, то он остаётся бессмертным, т.к. не умирает, а делится на новые клетки. 84 Многоклеточные организмы живут лишь определённое время. Они содержат два типа клеток: соматические – клетки тела и половые клетки. Половые клетки так же, как и бактерии, бессмертны. Соматические клетки высших животных делятся на два вида: одни живут недолго, но постоянно возобновляются (например, клетки эпидермиса - поверхностного слоя кожи); другие клетки во взрослом организме не делятся и поэтому не возобновляются (мышечные, нервные и др.) В последнее время в научном мире всё чаще встречается мысль о том, что природа имеет фрактальную структуру. Фрактал – это структура, состоящая из частей, в каком-то смысле подобных целому. Основное свойство фракталов - с а м о п о д о б и е. Другими словами, его внутренние составляющие являются аналогами общей формы, и наоборот, общая форма является аналогом его основы. Отсюда вытекает свойство голографичности фрактального объекта: по любому произвольно выбранному участку можно восстановить всю схему. Этот принцип ярко проявляется в строении живых организмов. Например, кровеносная система, дерево, многоклеточные системы - о р г а н и з м ы , особи. Имея лишь одну клетку, можно получить информацию обо всей системе, причём, совершенно неважно, откуда она, т.к. любая из них несёт в себе полную информацию. 7.5 МЕХАНИЗМ УПРАВЛЕНИЯ КЛЕТКОЙ Всё управление внутриклеточным обменом находится, как правило, в ядре в виде очень длинных цепей молекул нуклеиновых кислот, которые могут сворачиваться в глобулы- плотные образования, похожие на несимметричные кристаллы. Для синтеза белков необходимы молекулы РНК и ДНК. ДНК хранит генетическую информацию, а РНК воспроизводит её и переносит в среду, содержащую необходимые для синтеза белка исходные вещества. Нуклеиновые кислоты представляют законодательную власть клетки, а белки – исполнительную. Носителем генетической информации является молекула ДНК, а исходной структурной единицей является г е н . Молекула ДНК состоит из двух полинуклеотидных цепей, закрученных одна вокруг другой в спираль. Цепи состоят из большого числа мономеров четырёх типов – нуклеотидов, специфичность которых определяется одним из 4-х азотистых оснований: А (аденин), Т (тимин), С (цитозин) и G(гуанин). Структурная модель ДНК в виде двойной спирали была предложена в 1953 году американцем биохимиком Дж.Уотсоном и англичанином Фрэнссом Криком.(физик и микробиолог). ОСНОВАНИЕ 1 ОСНОВАНИЕ 2 ОСНОВАНИЕ 3 ФОСФАТ - САХАР - ФОСФАТ - САХАР - ФОСФАТ - САХАР 85 К молекулам сахара присоединяется азотистое основание, образуя поперечные водородные связи между двумя спиральными нитями. Они настолько структурно соответствуют друг другу, что А распознаёт Т и связывается с ним. С и G - ещё одна пара такого типа. Такая связь соответствует принципу комплементарности ( подходят друг к другу как ключ к замку). Молекула ДНК может копироваться в результате р е п л и к а ц и и, заключающейся в её удвоении. Когда клетке необходимо разделиться, она предварительно непосредственно перед этим копирует молекулы ДНК в своих хромосомах. При этом две нити ДНК расходятся и на каждой из них, как на матрице, собирается дочерняя нить, в точности повторяющая ту, что была соединена с данной нитью в родительской клетке. В итоге появляются две одинаковые хромосомы, которые при делении распределяются по разным клеткам. Так происходит передача наследственных признаков от родителей потомкам у всех клеточных организмов, имеющих ядро. Сочетание стоящих рядом трёх нуклеотидов в цепи ДНК образует генетический код, который ставит в соответствие последовательности нуклеотидов гена определённую последовательность аминокислот в синтезируемом белке. Оказывается, что генетический код един для всех земных организмов. И вирусы, и бактерии, и клетки человеческого тела переводят с « нуклеотидного» на «аминокислотный» язык по одному и тому 86 же словарю. Это является веским свидетельством в пользу того, что всё живое на Земле произошло в конечном счёте от одного общего предка путём дивергентной эволюции. Ген представляет собой участок молекулы ДНК ( а у некоторых вирусов РНК) в определённой структуре которого закодирована та или иная наследственная информация. Каждый ген содержит некоторый рецепт, который обеспечивает соответствующий синтез определённого белка, и таким образом совокупность генов управляет всеми химическими реакциями организма и определяет все его признаки. Г е н - это природное кибернетическое устройство, содержащее информацию, инструкции, коды, определяющие характер всей деятельности клетки ( как по обмену веществ, так и по самовоспроизведению). Совокупность всех генов организма составляют его г е н о т и п . Совокупность генов, содержащихся в одинарном наборе хромосом данного организма, называется г е н о м о м . Генофонд – это совокупность генов, которые имеются у особей, составляющих данную популяцию. Нарушение последовательности нуклеотидов в цепи ДНК приводит к наследственным изменениям в организме – мутациям. Мутация – сбой, обусловленный случайностью или некоторым фактором физической или химической природы, который происходит в процессе передачи ДНК от родителей детям. Мутации могут быть полезными, вредными или нейтральными. Происходят они под влиянием условий жизни организма: питание, температурный режим, состав воздуха, а могут вызываться кратковременными факторами: отравляющими веществами, радиацией и т.д. В последние годы в мире около 2% новорождённых детей имеют болезни мутагенного характера или родятся с предрасположенностью к таким заболеваниям, как туберкулёз, полиомиелит, рак и др., с патологией психики: шизофрения, эпилепсия и др. Одним из наиболее опасных мутагенов являются в и р у с ы (например, вирус СПИДа, птичьего гриппа). 7.6 Генетика. Генная инженерия Механизмы наследственности и изменчивости в живой природе изучает г е н е т и к а (в переводе с греческого генезис означает происхождение). Основы этой дисциплины были заложены австрийским учёным Г.Менделем, который в 1865 году показал, что наследование признаков происходит д и с к р е т н о. Он скрещивал гладкий и морщинистый сорта гороха, в результате в первом поколении он получил только гладкие семена, а во втором - четверть морщинистых. Из своих экспериментов Мендель пришёл к выводу, что в зародышевую клетку поступает информация от обоих родителей, но в первом поколении проявляется только один, доминантный признак, а во втором –доминантные и рецессивные признаки распределяются в пропорции 3:1. Работы Менделя опровергли тезис о том, что в череде поколений рецессивные признаки должны постепенно стираться. Открытые закономерности свидетельствовали 87 о том, что рецессивные мутации не исчезают бесследно, а сохраняются в генетическом фонде популяции и проявляются через поколение. Существенным достижением генетики является выявление механизмов наследования пола. Важнейшая роль в определении пола принадлежит хромосомному набору зиготы. У человека 23 пары хромосом, из них 22 пары одинаковы как у мужского, так и у женского организмов, а одна пара различна. Это половые хромосомы. У женщин половые хромосомы одинаковы ( так называемые Х –хромосомы), а у мужчин различны: одна Ххромосома, а другая У-хромосома. Пол будущего человека закладывается в момент оплодотворения, когда хромосомные наборы половых клеток объединяются, решающую роль при этом играет У-хромосома. Генная инженерия - это раздел молекулярной биологии, в котором изучаются возможности целенаправленного конструирования новых биологических структур с заданными свойствами за счёт манипуляций с генами. Основными направлениями исследований являются: 1) расшифровка геномов; 2) создание трансгенных механизмов. Схематично это делается так: в нужном месте «разрезают» ДНК и вставляют туда новый ген из ДНК другого организма. Когда такие реконструированные ДНК попадут на своё место (напр., в клетки растения, то эти клетки будут нарабатывать и « новый «белок, прочитанный с нового вшитого гена. В итоге в организме с новым белком появятся и новые качества. Разрез ДНК, вшивание новых генов делаются очень тонкими биохимическими методами и контролируются тонкими физическими приборами. Созданы трансгенные растения, животные. Т р а н с г е н н ы е растения: не подвержены действию вредителей и возбудителей болезней; во много раз эффективней извлекают из почвы фосфор и азот. Значит, им нужно меньше удобрений; получены трансгенные томаты, пригодные для длительного хранения, их не нужно выращивать в теплицах; улучшены вкусовые качества и т.д. Генно-инженерные работы с животными ведутся по трём направлениям: 1) продовольственная. 2) создание животных, устойчивых к болезням; 3) самым важным направлением, пожалуй, можно считать создание животных, продуцирующих лекарства. Получили коров и свиней, которые в своём молоке содержат гормон роста. Синтезирован инсулин. С помощью трансгенных животных можно будет получать эффективные препараты для лечения крови, онкозаболеваний , для повышения иммунитета и т.д. Генную инженерию считают медициной будущего. Российские учёные научились выращивать кровеносные сосуды, стволовые клетки и др. В то же время развитие генной инженерии связано с такими нежелательными и даже опасными последствиями, которые трудно представить. 88 Могут быть созданы модифицированные организмы с нежелательными и неожиданными свойствами. Внедрение генных технологий уже привело к созданию новых микроорганизмов, которые спровоцировали появление новых болезней. Последствия вмешательства в генотип человека, связанное с генной терапией, так же пока неизвестны. Об этом можно будет судить через 10-20 лет. Существует реальная опасность использования генных продуктов в военных целях. Следующим направлением в развитии биотехнологий является создание трансгенных растений и животных. Увидев в наноскопе ген картофеля, учёные «втиснули» в него звено, выделяющее токсин против колорадского жука, который взяли у природных паразитов этих насекомых- получился ГМ-картофель. Аналогично родились сверхурожайная соя, кукуруза, пшеница, сладкие голландские яблоки одинакового размера. ГМ-растения не требуют специальной обработки химикатами от вредителей- они сами способны постоять за себя. Чем же отличается генная инженерия растений от обычной селекции?При селекции перенос генов осуществляется только между близкородственными растениями, а генная инженерия позволяет перенести в растение гены из любого другого организма. Делается это для того, чтобы растения с » чужими»генами приобретали устойчивость к гербицидам, вредителям и патогенам, их плоды способны долго храниться при комнатной температуре, имеют повышенную питательную ценность или другой вкус, и, наконец, они способны синтезировать новые вещества - начиная от лекарств и заканчивая пластиком. Направленной генетической модификации (трансформации) можно подвергать не только растения, но и любые живые структуры ( от микробов и вирусов до организмов). Такие медицинские препараты, как инсулин, интерферон, гормон роста получают от генно - модифицированных животных, которые продуцируют эти препараты. Отношение к ГМ растениям и животным неоднозначно. Такие страны как США, Аргентина, Канада, Китай выступают ЗА – не случайно подавляющее большинство площадей в этих странах засеяно генномодифицированными соей, хлопком, кукурузой. В Европе отношение к ГМ растениям и животным отрицательное или более настороженное. Прямых подтверждений вредности ГМ- продуктов пока нет. Современные биотехнологии привели к возможности клонирования растений и животных. К л о н и р о в а н и е - это воспроизведение копии живого организма из его неполовых клеток. Обычное (естественное) зачатие новой жизни представляет довольно чёткий процесс. Мужская клеткаосеменитель имеет половинный набор хромосом, такое же их количество содержится и в женской яйцеклетке. И только в результате слияния этих клеток (мужской и женской) возникает полный набор хромосом, 89 необходимых для создания нового организма. При клонировании любая клетка тела (соматическая клетка) имеет полный набор хромосом и будущая жизнь «штампуется «по тому генетическому образцу, который взят для клонирования. Отсюда и возникает полная похожесть рождающегося на того, кто вложил свою клетку в фундамент создания новой жизни. Современная методика заключается в следующем (на примере овечки Долли). От здорового животного берётся любая клетка его тела (она уже содержит полный набор хромосом). Её погружают в спокойное состояние, чтобы она не размножалась. Затем её ядро помещают в яйцеклетку донора, которая предварительно лишалась собственного ядра вместе с содержащимся там генетическим материалом. Эта половая клетка подвергалась электрическому импульсу или химическому стимулированию. Возникший эмбрион внедряли в тело женской особи, где он и развивался до полной зрелости. Таким образом, овечка Долли родилась без отца, но имела три матери. Овечка Долли была копией той овцы, у которой был взят необходимый генетический материал, т.е.копией первой овцы. Следует помнить, что копируется лишь внешняя телесная оболочка. Наука установила, что биологическое будущее организма зависит ещё и от того, в какой среде он формируется, в каких условиях растёт, т.е. помимо генотипа существует также фенотип, в котором отражается в широком плане воздействие внешней среды. Именно поэтому невозможно клонировать поэта Пушкина, композитора Чайковского, учёного Эйнштейна и т.д. Развитие биотехнологий поставило перед человечеством целый ряд этических вопросов. Но эти вопросы находятся не в сфере самой науки, а в сфере практического применения её открытий. Научный поиск должен быть свободным, но ответственность за применение научных достижений всегда должно нести общество, т.е. развитие биотехнологий должно находиться под определённым контролем. 7.7 ПРИНЦИПЫ ЭВОЛЮЦИИ, ВОСПРОИЗВОДСТВА И РАЗВИТИЯ ЖИВЫХ СИСТЕМ Фундаментом современной биологии является эволюционная идея, согласно которой живые организмы, их строение и взаимоотношения между собой являются результатом длительного исторического развития. Под эволюцией живого мира понимается процесс развития природы от момента возникновения жизни до настоящего времени, взаимодействие порядка и хаоса, приводящее на определённом этапе к самоорганизации. Около 5 млрд. лет назад из нуклеотидов и белков появились первые простейшие живые организмы, способные к метаболизму и передаче наследственной информации. Именно на этом этапе завершается продолжавшийся многие миллиарды лет процесс добиологической эволюции и начался новый более динамичный период биологической эволюции. В ходе эволюции менялись и возникали новые виды, появлялись всё более 90 сложные формы живых организмов, причём живое приспосабливалось к изменениям окружающей среды. Первые попытки как-то систематизировать знания о животном и растительном мире относятся ещё к античным временам. Карл Линней описал более 8000 растений, провёл их классификацию по внешним признакам. В начале 19 века Ламарк выдвинул гипотезу о механизме эволюции, в основе которой лежали две предпосылки: наследование приобретённых признаков и упражнение (или неупражнение) частей организма. Но основной является врождённая способность к самосовершенствованию. По его мнению изменения окружающей среды могут изменить формы поведения, изменить структуру отдельных органов. И эти изменения могут быть переданы по наследству. Однако впоследствии оказалось, что приобретённые признаки не всегда передаются по наследству. Так, немецкий зоолог А.Вейсман на протяжении многих последовательных поколений отрезал мышам хвосты. Однако приобретаемые признаки не передавались по наследству. Как пояснил Холдейн, по наследству будут передаваться только те признаки, которые контролируются в какой-то степени генами. Французский зоолог Ж.Кювье связывал появление новых видов животных с имевшими на Земле место катастрофами. В 1788г. английский экономист Т.Мальтус опубликовал «трактат о народонаселении», в котором говорит о том, что численность населения на Земле растёт по экспоненциальному закону и рост популяций не соответствует пищевым ресурсам. Мальтус ввёл выражение «борьба за существование». Ч.Дарвин 91 Ч.Дарвин собрал обширный материал об изменчивости организмов и видов и, перенеся идеи Мальтуса на них, отметил почти всегда постоянную численность популяций. Численность всех популяций на Земле контролируется различными факторами среды (пространство, свет, пища, тепло). Исследуя огромный материал, Дарвин понял, что в условиях интенсивной конкуренции между членами популяции любые изменения, благоприятные для выживания, повышают способность особи к размножению и оставлению плодовитого потомства. Эти идеи легли в основу теории эволюции путём естественного отбора. Основные положения теории эволюции Дарвина сводятся к следующему: 1)любой группе животных и растений свойственна изменчивость; 2)число организмов каждого вида, рождающихся на свет, значительно больше того их числа, которое способно выжить и оставить потомство; большая часть гибнет; 3)между живыми организмами (растениями) существует конкуренция, которая может быть явной борьбой или скрытой (например, при переживании различных неблагоприятных условий); 4)ядром теории естественного отбора является представление о том, что изменения в организме, позволяющие ему выживать, передаются потомству. Поэтому каждое новое поколение оказывается всё более приспособленным к своей среде. В результате многолетнего естественного отбора отдалённые потомки могут очень сильно отличаться от своих предков. Таким образом, в эволюции живого выделяются три принципиальных фактора: изменчивость, наследственность и естественный отбор. В 1900 году законы наследственности, первоначально установленные Г.Менделем, были вновь открыты учёными, в частности, голландец Х. Де Фриз предложил теорию мутаций. Как показали эксперименты, мутационный признак не исчезает, а постепенно накапливается в генофонде популяций, что является основой изменчивости живых организмов. Закреплению полезных мутаций способствует естественный отбор. В 30-е годы 20 века возникла синтетическая теория эволюции или неодарвинизм. Если Дарвин в качестве единицы эволюции рассматривал вид, то синтетическая теория эволюции элементарной эволюционной структурой считает популяцию. Именно популяция обладает теми свойствами самоорганизующейся целостной системы, которые необходимы для наследственных изменений. Единицей наследственности выступает генучасток молекулы ДНК, отвечающий за развитие определённых признаков организма. Основными факторами, влияющими на наследственные изменения, являются: мутационный процесс; популяционные волны – колебания численности популяции вокруг некоторого среднего уровня; изоляция – обособление популяции для закрепления нового признака. Ведущим 92 фактором эволюции является естественный отбор. Современная теория эволюции рассматривает естественный отбор как устранение от размножения тех особей, которые менее приспособлены к условиям окружающей среды. Английский биолог Хаксли предложил термин «уничтожение неприспособленных», который, с его точки зрения, более точно характеризует механизм естественного отбора. Идея естественного отбора имеет универсальное значение: «выбор» осуществляет живая система любого уровня организации в процессе индивидуального развития и жизни; он реализуется в процессе биологической эволюции на всех его уровнях; этот принцип универсален в жизни человека и человечества. Эволюционная концепция, предложенная Дарвиным, не является единственной. Известны и другие – альтернативные концепции биологической эволюции, основанные на иных, чем у Дарвина, исходных посылках. Например, русский биолог Л.С.Берг предложил концепцию номогенеза, которая исходит из того, что эволюция организмов происходит под воздействием внутренних причин, а причины внешние, в том числе и естественный отбор, играют второстепенную роль. Французский палеантолог и философ Теяр де Шарден связывает эволюционный процесс с первоначальной концентрацией жизни в некоторой активной зоне и последующим постепенным распространением её на всю планету. 7.8 ПОНЯТИЕ О БИОЭТИКЕ Одним из примеров интеграции наук в современном естествознании является б и о э т и к а, которая прекрасно иллюстрирует сближение естественных наук с гуманитарными. Известно, что человек как вид появился в результате длительной биологической эволюции, которая включает в себя наряду с другими способность живых организмов в борьбе за выживание использовать не только физические факторы, но и психологические, и даже этические. Так уже у растений можно наблюдать такие явления, как гелиотропизм (устойчивое стремление поворота соцветия к солнцу у подсолнечника или раскрытие цветков у цикория) и геотропизм (проникновение корней в земле в направлении имеющейся в ней влаги и минеральных солей). В животном мире тоже есть устойчивые формы их поведения, выражающиеся в рефлексах и инстинктах. Рефлексы связаны с передачей сигнала от органов чувств через нервную систему, приводящей к автоматической реакции (например, отдёргивание руки при воздействии, причиняющем боль; расширение зрачков в темноте и т.д.). Эти простые стереотипные реакции запрограммированы на генетическом уровне. Инстинкты представляют собой более высокий этап в развитии психики в направлении к её человеческим формам. И выражены в более сложных формах поведения. (например, постройка гнезда у птицы; 93 организация жизни у пчёл в пчелином улье; создание геометрически правильного узора паутины у паука и т.д.). Чем выше поднимаются виды животных по эволюционной лестнице, тем большую роль приобретают способности к н а у ч е н и ю . У человека возможность приобрести самостоятельность целиком зависит от его взаимодействия с окружающей физической и в ещё большей степени с социальной средой. Высшей формой приобретённого поведения, свойственная человеку, является способность к у м о з а к л ю ч е н и я м . Именно эта способность позволила человеку в результате эволюционного развития выработать важнейший инструмент социального прогресса, каким является ч е л о в е ч е с к а я э т и к а . Биоэтика исходит из того, что принципы человеческого поведения имеют не только социальные, но и биологические предпосылки. В качестве обоснования этой мысли этологи (специалисты по изучению поведения животных) указывают на наличие у животных большого количества инстинктивных запретов, необходимых и полезных в общении с сородичами. Так, собака не обижает щенка или самку, защищает их; она в какой-то степени способна к сопереживанию. Учёные установили, что серые гуси способны испытывать такие чувства (присущие людям !), как влюблённость, дружбу, ревность, скорбь, стремление доминировать и др.У многих животных действует принцип: не убей «своего», для этого есть выработанный механизм отличения своего от чужого ( в первую очередь, по запаху). У многих животных действует принцип неприкосновенности жилища и известны случаи, когда при защите своего жилища более слабый побеждал того, кто сильнее. По мнению австрийского этолога К.Лоренца, мораль животных представляет собой созданную естественным способом систему врождённых запретов на определённые виды поведения в общении с себе подобными. Аналогично выглядят и требования моральных кодексов в человеческом обществе: не убий, не укради и т.д. Из приведённых выше примеров может возникнуть мнение, что в основе всех форм социального поведения человека лежат в р о ж д ё н н ы е психологические структуры, которые присущи и человеку, и другим животным. – Такой точки зрения придерживаются многие специалисты биоэтики. Но есть и другая точка зрения, которой придерживаются представители с о ц и о б и о л о г и и . Они считают, что любое живое существо, в том числе и человек, есть машина, обеспечивающая сохранность заложенного в ней генетического материала, а разные формы человеческого поведения представляют собой всего лишь стратегии для распространения этих генов. Встав на эту точку зрения, можно оправдать и социальную несправедливость (одним дано быть богатыми, другим – бедными). В споре о соотношении в человеке биологического и социального повидимому следует придерживаться точки зрения, согласно которой природа человека является д в о й с т в е н н о й, в ней сочетается как преемственность, так и нарушение этой преемственности. Древняя китайская 94 мудрость гласит, что всё, что есть в зверях, есть и в людях, но не всё человеческое присутствует в зверях. Таким образом, биоэтика исходит из того, что человеческая мораль определяется не только разумом, культурой, обществом, но и в определённой степени древними генетическими программами, доставшимися нам от наших древних предков. В последние годы под влиянием стремительно развивающейся биологической науки появились проблемы, вызвавшие широкий общественный резонанс. В связи с этим потребовалась разработка целого комплекса правил и норм, регулирующих как деятельность самого учёного, так и порядок использования научных достижение на практике.- на благо общества, а не во вред ему! Совокупность этих правил и норм составляет профессионально ориентированную сторону содержания биоэтики, которая примыкает к проблематике медицинской этики. К проблемам биоэтики обращаются учёные при рассмотрении следующих вопросов: проведение научных экспериментов над животными и людьми; эвтаназия-убийство или самоубийство в реанимационной практике в качестве избавления от невыносимых физических и нравственных страданий; в практике трансплантологии дарение людьми своего биологического материала; -в гинекологии практика уничтожения своего биоматериала; -практика диагностики «плохих» и «хороших» генов; допущение возможностей психофизических модификаций человека, в том числе нарушение половой определённости; клонирование человека, использование суррогатных матерей и т.д. Существует заблуждение, что клонирование обеспечит бессмертие человеку, т.к. позволит создать бесчисленное множество его копий. Однако клонируется лишь биоструктура человека, его телесная оболочка. Но биологическое будущее клонированного организма зависит ещё и от того, в какой среде и в каких условиях он формируется. Вспомним, что помимо генотипа существует ещё фенотип, в котором отражается воздействие внешней среды. К тому же не следует забывать, что человек есть существо разумное, имеющее свой интеллект, формирование которого происходит в процессе социализации. Таким образом, биологически передаётся лишь генетическая память (независимо от того, каким путём появился человек на свет). Индивидуальная память есть свойство конкретного субъекта, в клоне она не воспроизводится. И каждый новый клон будет иметь собственные особенности с индивидуальным внутренним миром. Подтверждением этому является изучение однояйцевых близнецов – естественных клонов, разлучённых при рождении. Возможные, с чисто научной точки зрения, способы решения этих проблем не всегда вписываются в традиционные нормы общечеловеческой морали, поскольку они связаны с проникновением исследователя в глубинные тайны человеческого существования. 95 ТРЕНИРОВОЧНЫЕ ТЕСТЫ по теме 7 1. 1) 2) 3) Жизнь возникла: в воде; в воздухе; в почве. 2. Установите соответствие между концепциями возникновения жизни и их содержанием: 1) креационизм 2) панспермия 3) абиогенный синтез 4) вечное существование. Варианты ответов: А) жизнь занесена на Землю из Космоса; Б) жизнь создана Творцом; В) жизнь существовала всегда и будет существовать вечно; Г) шло постепенное усложнение химической и морфологической структуры, в результате которого из неорганических веществ образовались сложные органические соединения, а далее возникли простейшие формы живого. 1 – Б; 2 – А ; 3 – Г ; 4 – В. 3.Живые организмы, создающие первичное органическое вещество из неорганического, называются: 1) продуцентами; 2) консументами; 3) редуцентами. 4.В результате действия изоляции как эволюционного фактора возникают: 1) независимые генофонды двух популяций; 2) изменения в направленности действия отбора; 3) изменения частоты генов в популяции элементарного 5.Структурный элемент ядра клетки, содержащий ДНК и прикреплённый к ней белок, в котором заключена наследственная информация, называется: 1) хромосома; 2) ген; 3) Аллель. 96 6.Биологическая микросистема охватывает следующие уровни: 1) организменный; 2) молекулярный и клеточный; 3) биоценотический КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ по теме 7 1.Каковы концепции возникновения жизни? Какая из них Вам кажется более убедительной? Почему проблема происхождения жизни – одна из самых трудных и интересных в науке? 2.В чём состоит сущность живого ? Каковы его основные признаки? 3.Как устроена живая клетка и как работает механизм управления клеткой ? 4. Что такое ген и геном? Что изучает генетика? Какую роль сыграли работы Менделя в становлении генетики? 5. Что такое клонирование? Чем клонирование отличается от естественного воспроизведения жизни? Какие этические проблемы связаны с клонированием? 6. Что представляют собой стволовые клетки? Какую роль выполняют они в восстановительных процессах организма? 7.С какими этическими проблемами встречается генная инженерия? ТЕМА 8. ПРОИСХОЖДЕНИЕ И ЭВОЛЮЦИЯ ЧЕЛОВЕКА 8.1 ЧЕЛОВЕК КАК ПРЕДМЕТ ЕСТЕСТВЕННОНАУЧНОГО познания Напомним, что около 15 млрд. лет назад возникла наша Вселенная, около 4,6 млрд. лет назад в составе Солнечной системы образовалась Земля, а около 3,8 млрд. лет назад на ней сформировались первые признаки живого – органические вещества, давшие жизнь впоследствии и человеку. Человек является предметом изучения как естественных наук, так и гуманитарных. Происхождением человека и общества занимается наука а н т р о п о л о г и я, которая для решения собственных задач привлекает данные эмбриологии, археологии, геологии, этнографии и других наук. Соотношением биологического, психического и социального в человеке занимается социобиология и этология. Психику человека, соотношение в ней 97 сознательного и бессознательного изучает психология. Проблема соотношения сознания и мозга решается на стыке таких наук, как психология, нейрофизиология и философия. В экологии рассматриваются вопросы взаимодействия человека и биосферы. Таким образом, знания о человеке являются комплексными и многоаспектными. 8.2 Возникновение человека (антропогенез). Возникновение человека – это одна из самых фундаментальных проблем, на которую нет окончательного ответа. Для понимания сущности человека требуется комплексный подход в общей системе: Вселенная – Земля – Человек. Он является космопланетарным феноменом. Нам необходимо получить ответы на вопросы: где и когда появился человек? Какие этапы прошёл он в своей эволюции? Что являлось движущими силами его эволюции? Какую роль играли и играют биологические и социальные факторы в его развитии? и т.д. С первыми попытками ответить на вопрос о происхождении человека мы встречаемся в мифологии. Религия связывает появление человека с деятельностью Творца. Однако уже в античной философии появляется идея естественного происхождения человека (Анаксимандр, Эмпедокл, Анаксагор и др.), которая была умозрительной, натурфилософской. Начало научной антропологии приходится на середину 18 века. Карл Линней осуществляя классификацию растений и животных, поместил человека рядом с человекообразными обезьянами. Ж.Ламарк предположил, что человек произошёл от человекообразной обезьяны, которая под влиянием климатических условий спустилась на землю и перешла к прямохождению, которое способствовало изменению формы позвоночника, кисти, развитию мускулатуры, головного мозга и т.д. Однако эмпирических данных, подтверждающих идеи Ламарка, в то время ещё не существовало. До середины 19 века в антропологии господствовала креационистская точка зрения на происхождение человека. В середине 19 века археологические находки грубо обработанных каменных орудий свидетельствовали о том, что человек возник значительно раньше, чем говорится об этом в библии. Об этом же свидетельствовали и исследования Ч.Дарвина, который установил телесное сходство, сходство в строении зубов у человека и человекообразных обезьян. Он установил также, что они имеют одинаковые группы крови, болеют одинаковыми инфекционными болезнями. Позже было установлено родство белковых структур и молекул ДНК у человека и человекообразных обезьян - высших приматов. Таким образом, Дарвин и его последователи стали основоположниками симиальной теории происхождения человека (в переводе с латинского – обезьяна). На данный момент симиальная гипотеза является общепризнанной. В генетическом смысле наиболее близкой человеку является шимпанзе. По морфологическим признакам у человека больше 98 всего сходства с гориллами. Видимо, дерево эволюции человека и современных форм обезьян можно представить так: Общий предок Homo sapiens современная форма (гориллы, шимпанзе, гиббоны,) Считается, что тот вид обезьян, от которого произошёл человек, имел больший объём мозга (более 400 куб см), более короткие передние и более длинные задние конечности по сравнению с другими обезьянами. Повидимому, этот вид обезьян передвигался как по земле, так и по деревьям (брахиация), питался как растительной пищей, так и животной. Цепь антропогенеза имеет вид: Австралопитек – питекантроп – синантроп -- палеантроп - homo sapiens 4-2 млн. лет – 1,9 – 0,65 400 тыс. (неандерталец) 30-40 тыс. 250 тыс. лет назад Австралопитеки ( южная обезьяна) Это самые ранние по эволюционной линии предки человека. Объём мозга достиг 600 куб. см. Для австралопитеков прямохождение уже стало нормой. Жили они стаями, совместно оборонялись и охотились. Предполагается, что способность к двуногому передвижению появилась у обезьян ещё примерно 25 млн. лет назад как следствие вынужденного изменения характера питания. Стопы всё больше выполняли опорную функцию, а кисти – хватательную. Существовало множество видов австралопитеков, среди которых был и – homo habilis – человек умелый. Примерно 1 млн. лет назад все австралопитеки вымерли. Есть мнение, что отнесение человека умелого к австралопитекам ошибочно: человек умелый действительно является предком современного человека, но является одним из видов прибрежных обезьян ( а не южных). Человек умелый – двуногое прямоходящее существо, ростом около 140-150 см и объёмом мозга до 700 куб. см. Было начато изготовление орудий труда. Что говорит о том, что они научились изменять форму одного предмета с помощью другого. Возникла первая примитивная олдувайская культура орудий труда (по названию ущелья в африканской Танзании). Видимо поэтому прародиной человечества считается Восточная Африка. Именно в её экваториальной части сложились наиболее благоприятные климатические условия: тёплый и влажный климат, разнообразный ландшафт, многообразный растительный и животный мир. 99 Кроме того, в Восточной Африке на поверхность земли выходят урановые породы, что создаёт повышенный радиационный фон. Эта радиация могла стать причиной мутаций в популяции древних обезьян, что и привело в конечном итоге к появлению человека 2-3 миллиона лет назад. Homo habilis занимает промежуточное положение между австралопитеками и архантропами (питекантропом и синантропом ), которые представляют собой различные географические варианты Homo erectusчеловека прямоходящего. Объём мозга питекантропа составлял 500-900 куб. см, рост 165170см. Скелетные остатки синантропов были обнаружены в Китае. Объём его мозга достигал 1000-1250 куб. см и у него обнаруживается больше человеческих черт, чем у других гомо-эректус, обнаруженных в различных районах Земли. Предполагается, что использование огня началось примерно 750 тыс. лет назад, но применяли его для согревания и отпугивания хищников, а не для приготовления пищи. По-видимому у архантропов появились речь, с помощью которой осуществляется надбиологическая трансляция социального опыта. Однако речь эта ещё не была членораздельной – об этом свидетельствует недостаточно развитая гортань. Объём мозга неандертальца составлял 13501418 куб.см. Они использовали каменные орудия, охотились коллективно. Около 150 тысяч лет назад появляются первые признаки некоей духовной деятельности: магия, колдовство, шаманство. Около 50 тысяч лет назад – первые признаки искусства: наскальные рисунки, «медвежьи пещеры» и т.д. Дальнейшее совершенствование в борьбе за существование вело к совершенству социальности – коллективных взаимоотношений, развитию интеллекта, образованию ранней морали в виде различных запретов и т.д. Постепенно появился homo-sapiens - человек разумный, представителями которого были кроманьонцы; мозг около 1600 , рост примерно 180 см. Антропогенез рассматривается как продолжение биогенеза, поэтому антропология изучает абиотические, биотические и социальные факторы возникновения человека, к которым относятся космические, земные, геологические, географические, биологические, социальные и культурные факторы. Единство этих факторов лежит в основе эволюционистской теории антропогенеза, которая согласуется с теорией самоорганизации. Основные предпосылки, обеспечившие переход от обезьяны к человеку, называются гоминидной триадой – это прямохождение, развитие руки и развитие мозга. В Дарвиновской теории эволюции, которая привела к появлению человека, отсутствует социальный фактор, которому придавал большое значение, в частности, Ф.Энгельс. Труд создал Человека. Любой труд был связан с изготовлением орудий труда, в которых закрепляется социальный опыт людей, их навыки, умения, способ мышления. Через орудия труда последующим поколениям передаётся и социальный опыт. В пользу 100 эволюционно-трудовой гипотезы антропогенеза говорит большое количество фактов. Вот эту социальную форму наследования Дарвин не рассматривал. Становление человека не было неким мгновенным актом – это длительное событие в жизни мироздания, которое не следует представлять линейным и однофакторным процессом, оно носит комплексный характер. Первым Человеком является не один, а множество людей. Уникальность феномена человека в том, что в его жизнедеятельности одновременно функционируют законы природы и общества. 8.3 Биологическое и социальное в историческом и индивидуальном развитии человека Человек разумный - существо биосоциальное - появился примерно 3040 тысяч лет назад, пройдя длительный эволюционный путь. Возникает вопрос относительно того, продолжается ли с тех пор эволюция человека. Оказывается, что после того, как человек выделился из животного мира , биологические факторы перестали играть решающую роль, и на передний план выдвигается социальная сторона его жизни ( способ производства, образ жизни, культура и т.д.). Фактор естественного отбора ослабевает, сглаживается здравоохранением, социальными институтами. За счёт успехов медицины снизился уровень смертности, оказались побеждёнными многие смертельные в прошлом болезни, увеличилась средняя продолжительность жизни; люди со слабым здоровьем, с физическими недостатками не отвергаются обществом, а принимают в его жизни активное участие. Например, для детей-инвалидов созданы специальные детские медицинские и образовательные учреждения, где они не только учатся и лечатся, но и занимаются спортом, приобщаются к искусству. Слепоглухонемые дети, не имея связи с окружающей средой, находились бы на стадии развития животных, но в результате применения специальной системы образования становятся нормальными в умственном отношении людьми. В современном обществе мы имеем примеры одарённых и сверходарённых детей, но это не является результатом каких-то отличий их мозга от мозга других детей – скорее всего это следствие совершенствования системы воспитания и образования.. А размеры мозга человека на протяжении последних 30-40 тысяч лет не меняются ( в то время , как у наших предков он постоянно увеличивался). У современного человека средний объём мозга составляет 1400 у мужчин и 1270 у женщин. При этом нет прямой зависимости индивидуальной одарённости человека от размеров мозга. Например, у французского писателя А.Франса мозг был не более 1000 , а у русского писателя И.Тургенева – 2012 ( т.е. в два раза больше), но оба писателя были необыкновенно талантливы и их произведения вошли в мировую литературу. 101 У человека естественный отбор происходит главным образом на уровне зародышевых клеток. Повреждённая клетка гибнет, а дети рождаются в основном из генетически здоровых клеток. В индивидуальном развитии человека различают два периода – эмбриональный и постэмбриональный. В период внутриутробного развития идёт реализация генетической программы при сравнительно слабом влиянии внешней среды ( через организм матери). После рождения идёт взаимодействие наследственной основы организма ( генотип) с внешней средой, которая формирует свои отличительные свойства и признаки ( фенотип). Взаимодействие наследственности и среды в развитии человека имеет место на протяжении всей его жизни. Но особую важность оно приобретает в периоды формирования организма: эмбрионального, грудного, детского, подросткового, юношеского. Именно в эти периоды происходит интенсивное развитие организма и формирование личности. Таким образом, темп генетических изменений стал очень медленным, но усилился социальный, культурный фактор в эволюции человека. У современного человека генетическая информация утрачивает своё главенствующее значение и заменяется социальной информацией. Какие же факторы представляют опасность для дальнейшей эволюции человека и сохранения его как вида? Наиболее опасными факторами являются загрязнение биосферы и усиление мутационных процессов (как следствия пьянства и наркомании среди молодёжи.), результатом которых становится рождение детей с генетическими отклонениями. Отсюда возникла необходимость заботы о сохранении генофонда, о сдерживании мутаций, отрицательно влияющих на здоровье человека. 8.4 Сознательное и бессознательное в человеке На определённом этапе биологической эволюции возникла психика. Это специфический аспект жизнедеятельности животных и человека в их взаимодействии с окружающей средой, включающий ощущения, восприятия, память, эмоции и т.д. Психика находится в единстве с телесными процессами и характеризуется активностью, развитием, саморегуляцией, коммуникативностью. На основе психики высших животных возникло с о з н а н и е . Для его возникновения необходимы биологические и социальные предпосылки. К биологическим предпосылкам относится увеличение размеров и усложнение структуры мозга; к социальным – общение и трудовая деятельность. Очевидно, что формирование сознания происходило параллельно с формированием языка. В науке существуют различные мнения относительно структуры сознания. Так, А.Г.Спиркин выделяет следующие составляющие сознания: познавательную (когнитивную); эмоциональную; 102 волевую. Выделяют две познавательных способности человека: рациональную и сенситивную. Сенситивная познавательная способность – это способность к ощущениям, восприятиям и представлениям. Это создаёт базу для рациональной познавательной способности, связанной с формированием понятий, суждений и умозаключений. Именно она считается ведущей в когнитивной сфере. В познавательную сферу входят интеллект, память, внимание. Эмоциональная сфера сознания объединяет в себе всё, что связано с эмоциями: это и состояния аффекта (ярость, ужас),элементарные эмоции, связанные с сенсорными реакциями (голод, жажда), чувства любви, ненависти, тоски и др. Эмоциональная сфера сознания также участвует в познавательном процессе, повышая или понижая его эффективность. Волевая сфера сознания связана с волей - способностью человека к достижению своих целей. Долгие годы в науке доминировал принцип антропологического рационализма: человек, мотивы его поведения и само бытие рассматривались только как проявление его сознательной жизни. Традиционная рациональная психология базировалась на том, что сознание выполняет инструментальную роль, оно отражает действительность. В 20-30-х годах 20 века в Америке зародилась глубинная психология, связанная с работами З.Фрейда и неофрейдистов. Основная мысль их работ заключалась в том, что в человеческой психике присутствует не только сознание, но и подсознание, которое является важнейшим фактором человеческого измерения и существования. Бессознательное прорывается наружу в виде сновидений, описок, полугипнотических состояний. По мнению Фрейда, бессознательное имеет биологическую природу и его главная функция – охранительная. Бессознательное уменьшает нагрузку на сознание со стороны негативных и тягостных переживаний. Бессознательное структурировано в виде комплексов. Комплекс - это устойчивая психическая структура, которая складывается вокруг определённого переживания. Комплексы формируются жизненными обстоятельствами, вытесняются в бессознательное и могут стать причиной психических заболеваний. Фрейд представлял бессознательное как могущественную силу, которая противостоит сознанию. Согласно его концепции психика человека состоит из трёх пластов. Самый верхний небольшой пласт – super ego ( сверхЯ) составляет область идеалов, область долженствования; ниже идёт тоже небольшой пласт сознательного- ego ( Я ), а далее идёт большой пласт ( как подводная часть айсберга), который находится за пределами сознания – id ( ОНО) Это сфера различных биологических влечений и страсти, прежде всего, сексуального характера, и вытесненных из сознания идей. По Фрейду эта сфера всецело подчинена принципу удовольствия и наслаждения, она оказывает решающее влияние на мысли, чувства и поступки человека. Человеком правят мотивации, в основе которых лежит либидо – сексуальная 103 энергия. Кроме того, среди бессознательных влечений есть два мотива: врождённая склонность к разрушению и агрессии и стремление к созиданию, любовь к жизни. Отсюда появляются две крайности, два полюса- некрофилы и биофилы. Таким образом, фрейдовский человек состоит из ряда противоречий между биологическими влечениями (бессознательным началом) и социально обусловленными нормами (сознательным), но бессознательное является определяющим. Швейцарский психолог К.Юнг в фрейдовском «ОНО» выделил, помимо личностного бессознательного, более глубокий слой – коллективное бессознательное – архетипы ( например, образ Матери-Родины, народного героя, богатыря и т.д.) Архетипы лежат в основе мифов, художественного творчества и т.д. Таким образом, по Юнгу человек – существо архетипное. Последователи Фрейда развивали его учение, внося свои коррективы – это А.Адлер, В.Райх, К.Хорни. Они не являются сторонниками эротической детерминации в человеке. Наиболее видным представителем неофрейдизма является немецко-американский психолог Э.Фромм. Он выступил против биологизации бессознательного в человеке. Его точка зрения не связана с абсолютизацией биологического или социального. По его мнению, одним из наиболее важных факторов развития человека является противоречие, вытекающее из его двойственной природы- он часть природы и одновременно субъект, наделённый разумом, т.е. существо социальное. Это противоречие Фромм называет «экзистенциальной дихотомией» 8.5 ЧЕЛОВЕК: ИНДИВИД И ЛИЧНОСТЬ. Двойственная, биосоциальная природа человека выдвигает ещё одну проблему человека – соотношение индивида и личности. По мнению русского философа Н.А.Бердяева, «личность есть категория духовнорелигиозная, индивид же есть категория натуралистически-биологическая». Как индивид человек является единичным представителем человеческого рода, он – один из многих. В это понятие не входят его индивидуальные особенности. Рождается человек с не до конца сформированными анатомическими и морфологическими системами, он плохо «укоренён» в природе – требуются годы для того, чтобы он полностью сформировался и мог существовать самостоятельно. В качестве животного он был бы обречён на гибель в природном царстве. Животные от рождения имеют больший набор инстинктивных форм поведения для выживания. Однако человек с момента рождения обнаруживает биологическую готовность к усвоению культурноисторических ценностей общества. Между человеком и природой стоит мир символов – культура, которая освобождает человека от непосредственных биологических реакций и даёт свободу в достижении своих целей. Проблема личности в философии – это, прежде всего, вопрос о том, какое место занимает человек в мире, причём не только чем он фактически является, но и 104 чем человек может стать, т.е. может ли человек стать господином собственной судьбы, может ли он «сделать» себя самого, создать свою собственную жизнь. Первоначально в понятии личности на первый план выдвигается проблема с а м о с о з н а н и я как отношение человека к самому себе. Понятие личности сливалось с понятием «я». По Канту человек становится личностью благодаря самосознанию, которое отличает его от животных и позволяет ему свободно подчинить своё «я» нравственному закону. В современном понимании Личность – это социальная индивидуальность человека, это совокупность характерных для человека социальных качеств, социальная самобытность Личностью не родятся, личностью становятся. С понятием личности связано понимающее и мыслящее существо, способное к с а м о р е ф л е к с и и. Рефлексия – это размышление, самонаблюдение, самопознание, это способность осмысливать собственные действия. Личность – это динамическая система, формирующаяся под воздействием социальной, психологической и биологической сторон природы человека. Даже при частичной деформации одного из этих начал полноценная личность не сформируется. В понятие «личность» обычно не включают природно-индивидуальные характеристики человека, хотя природная индивидуальность безусловно влияет на развитие личности. Личность как социальная индивидуальность формируется в конкретном историческом времени и социальных условиях, в процессе практической деятельности и воспитания. Личность - это конкретный итог синтеза и взаимодействия огромного количества разнообразных факторов, которые стоят «за её спиной». Личность тем в большей степени может называться личностью, чем сильнее она аккумулирует социокультурный опыт человека и в свою очередь вносит индивидуальный вклад в его развитие. Развитие личности осуществляется только в процессе д е я т е л ь н о с т и. Человек может думать и говорить о себе что угодно, но чем он является в действительности, обнаруживается только в деле. Понятие «личность» следует отличать от понятия «характер». Характер человека выступает в качестве основы его поведения, это целостный и устойчивый индивидуальный склад душевной жизни человека, проявляющийся в отдельных актах и состояниях его психической жизни, а также в его манерах, привычках, складе ума. Уникальность личности выражается в понятии «индивидуальность». Каждый человек неповторим! Поскольку социализация носит динамический характер, то личность это постоянное становление, это процесс. И если личность останавливается в своём формировании, в своих устремлениях, то это деградирующая личность. Деградация личности происходит и тогда, когда индивид оказывается полностью подчинённым чужой воле или его действия запрограммированы в деталях. Лишение общения и возможности выбора 105 также отрицательно сказывается на развитии личности человека. Не случайно изоляция человека от общества, лишение общения всегда считалось одним из тяжких наказаний. Индивид, лишённый разума и рассудка, не может считаться личностью; он не может отвечать за свои поступки. Очень важной характеристикой личности является её нравственнодуховная сущность, которая выражается в направленности её сознания, мировоззрении, нравственности и ответственности. Безусловно, социальная среда оказывает существенное влияние на формирование и поведение личности. Но не в меньшей степени личностные ориентации и поведение человека обусловлены и внутренним, духовным миром человека. Чем ярче у человека выражены интеллектуально-нравственные и волевые качества, чем больше его жизненные ориентации совпадают с общечеловеческими ценностями, тем в большей степени он является личностью. Сила воли и духа личности, её нравственная доброта и чистота реализуются только в реальной деятельности, в поступках. Индивид должен быть ответственным, ибо свобода без ответственности – это произвол. Харизматическая личность предполагает исключительную одарённость, непогрешимость или святость в глазах других, способность повести за собой, влиять на общественное мнение и т.д. Такие личности , как правило, становятся политическим деятелями, духовными наставниками и т.д. ТРЕНИРОВОЧНЫЕ ТЕСТЫ по теме 8 1. приводит: 1) 2) 3) Доказательства происхождения человека от обезьяны отличием человека религия; биохимия; история. 2. Не является принципиальным животных: 1)прямохождение; 2) речь; 3) изготовление разнообразных орудий. от 3. В каком эволюционном отношении находятся человек и современные человекообразные обезьяны ? 1) современные обезьяны давно отделились от общего с человеком ствола эволюции и прошли свой длинный путь развития, не меньший, чем у человека; 106 2)человек прошёл более длительный эволюционный путь по сравнению с современными обезьянами; 3)современных обезьян эволюция не затронула. 4.Какая из основных гипотез антропогенеза более доказательна ? 1) религиозная; 2) эволюционно-трудовая; 3)палеовизита. 5. 1) 2) 3) Антропология – это наука: о человеке; о происхождении и эволюции человека; о строении и функционировании человеческого организма. КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ по теме 8 1. Что Вы знаете о происхождении и эволюции человека? Какая из гипотез Вам кажется более обоснованной? 2.Проанализируйте роль биологических и социальных факторов в историческом развитии человека. 3.Биологическое и социальное в онтогенезе человека. Как Вы это понимаете? 4.Существуют ли возрастные ограничения в развитии человека? Ответ обоснуйте. 5. Как Вы представляете себе самоактуализирующуюся личность? 6. В каком соотношении находится в человеческой психике сознательное и бессознательное? Рассмотрите разные точки зрения. Дайте характеристику взаимодействия сознательного и бессознательного в мотивации поведения человека. Тема 9. БИОСФЕРА. УЧЕНИЕ В.И.ВЕРНАДСКОГО О БИОСФЕРЕ. Термин «биосфера» был впервые использован в конце 19 века австрийским геологом Э.Зюссом, который понимал под биосферой совокупность организмов, обитающую на поверхности Земли. Связь живой и неживой природы трактовалась односторонне: отмечалась только зависимость живых организмов от физических, химических, географических и др. факторов, а обратное воздействие не учитывалось. Изменил представление о биосфере русский философ и учёный В.И.Вернадский. Он стал рассматривать биосферу как совокупность всех живых организмов 107 вместе со средой их обитания. Биосфера располагается на стыке литосферы, гидросферы и атмосферы, уходя вглубь Земли до 10 км и на 33 км над поверхностью Земли. Температурные интервалы, в которых может существовать жизнь, тоже ограничены: от –252 до +180 С. Биосфера улавливает лишь небольшую часть солнечной энергии, поступающей на Землю. Ультрафиолетовая часть солнечного спектра, которая составляет 30% от всей солнечной энергии, доходящей до Земли, практически полностью задерживается атмосферой. Половина поступающей энергии превращается в тепло и затем излучается в космическое пространство, 20% расходуется на испарение воды и образование облаков и только около 0,02% используется биосферой. Учение о биосфере является продолжением идей почвоведа В.В.Докучаева, который создал учение о почве как своеобразной оболочке Земли, являющейся единым целым живых и неживых систем. По Вернадскому живые организмы и среда их обитания – это два главных компонента биосферы, которые непрерывно взаимодействуют между собой, образуя целостную динамическую систему. В.И.Вернадский Первичной ячейкой биосферы является биогеоценоз (или экосистема) – это биоценозы в совокупности с окружающей средой обитания. (т.е. с неживой природой). В понимании В.И.Вернадского биосфера включает в себя не только все живые существа, но и все продукты жизнедеятельности, выработанные за время существования жизни. В процессе жизнедеятельности организмы получают из окружающей среды необходимые химические вещества, а после смерти возвращают их обратно. Таким образом, живое и неживое (косное вещество) находится в постоянном взаимодействии, в бесконечном круговороте химических элементов. При этом живое вещество является основным системообразующим фактором и связывает биосферу в единое целое, это та геохимическая сила, которая играет ведущую роль в формировании облика нашей планеты. 108 В современном естествознании появилось понятие «коэволюции», означающее взаимное приспособление видов. Именно коэволюция обеспечивает условия взаимного существования и повышение устойчивости биоценозов. В приспособлении друг к другу (как в природе, так и в обществе) решающую роль играет не борьба за существование, а наоборот, взаимопомощь, согласованность различных видов, в том числе и не связанных между собой генетическими узами. 9.1 ЧЕЛОВЕК И БИОСФЕРА. НООСФЕРА С появлением на Земле человека в биосфере появился новый фактор – антропогенный (от греческого anthropos – человек).Человек вначале приспосабливался к окружающей среде, а затем постепенно перешёл к целенаправленному изменению окружающей среды: одомашнивание диких животных и растений, выведение новых видов, осуществляя одновременно сознательное или случайное уничтожение. Живое вещество вынуждено приспосабливаться к новым условиям жизни. Создавая новые искусственные предметы, человек овеществляет природу и создаёт техносферу. С началом эры космических полётов техносфера вышла далеко за пределы биосферы и охватывает уже околоземный космос. Вернадский считал, что влияние научной мысли и производительной человеческой деятельности обусловили начало перехода биосферы в новое качественное состояние – ноосферу (от греческого noos – разум ). Деятельность человека стала глобальным фактором – фактором планетарного масштаба, определяющим эволюцию биосферы. Однако не все творения человека находятся в гармонии с окружающей действительностью. И если живые организмы, созданные человеком, в большинстве своём вписываются в общую систему природы, то этого порой нельзя сказать об объектах, созданных человеком: зданиях, сооружениях, ландшафтах. Кроме того, созданное человеком, как правило, не способствует созданию новых запасов энергии. Бесконечное истребление полезных ископаемых, загрязнение окружающей среды ставят на грань катастрофы существование самой жизни. Одной из ключевых идей Вернадского является то, что человек не является самодостаточным существом – он сосуществует с природой и является её частью. Человеческий разум и направляемая им работа представляют собой новую мощную геологическую силу, под действием которой должна измениться сама биосфера и жизнь человечества. Наука становится вселенской, мировой наукой, охватывающей всю планету. Решающим фактором развития ноосферы должна стать разумная деятельность человека, гармоничное взаимодействие природы и общества. По мнению академика Н.Н.Моисеева, следует говорить об эпохе ноосферы, о таком состоянии биосферы, когда её развитие происходит целенаправленно, когда разум направляет эволюцию биосферы в интересах человека и его будущего. 109 9.2 ЧЕЛОВЕК И КОСМИЧЕСКИЕ ЦИКЛЫ. НЕОБРАТИМОСТЬ ВРЕМЕНИ Говоря о биосфере, мы рассматривали взаимодействие человека и природы в условиях нашей планеты. Однако нельзя не учитывать взаимодействие человека и природы с космосом. В первую очередь жизнь на Земле зависит от нашего светила – Солнца. Его энергия трансформируется в другие виды энергии (тепловую, электрическую, механическую и др.), причём происходит эта трансформация как в неживой природе, так и в живой. Далее: рассматривая различные концепции возникновения жизни на Земле, мы упоминали концепцию панспермии. По мнению ряда учёных, в числе которых шведский учёный С.Аррениус (лауреат Нобелевской премии) да и сам В.И.Вернадский не исключают возможности появления жизни на Земле из космоса – вместе с космической пылью на Землю могли попасть бактерии и споры. Известно также, что под влиянием Луны на Земле происходят морские приливы и отливы. В ХХ веке знания о влиянии космоса на земные процессы существенно пополнились благодаря работам таких учёных (представителей русского космизма), как Н.Ф.Фёдоров, А.Л.Чижевский, К.Э.Циолковский, В.И.Вернадский и др. Вернадский высказывал предположение о том, что морфологические изменения организмов связаны с критическими периодами в жизни нашей планеты, которые, в свою очередь, определяются также космическим воздействием. Становление предков человека находится в прямой связи с ритмическими изменениями климата нашей планеты. В этих изменениях присутствуют не только геосферные, но и космические факторы. (гравитационные и корпускулярные). Давно установлено, что солнечная активность не остаётся постоянной. Считается, что цикл солнечной активности равен 11 годам. Причём солнечная активность существенно влияет на магнитное поле Земли и различные геосферные и атмосферные процессы. А.Л.Чижевский в своих исследованиях пришёл к выводу, что солнечная активность напрямую воздействует на биологические и социальные процессы на Земле. Кроме того в периоды повышенной активности Солнца наблюдаются обострения сердечно-сосудистых и нервно-психических заболеваний, увеличивается количество суицидов, происходят революции, бунты. В наше время вполне привычными стали прогнозы так называемых неблагоприятных дней, обусловленных цикличностью в активности Солнца. С циклическими процессами мы встречаемся на различных уровнях развития материи. Наука убеждена в том, что ритмы и периодичность управляют не только процессами во Вселенной, в живых организмах, но и в социальных явлениях. Ритм как бы запрограммирован сущностью движения, 110 но на каждом уровне иерархической Вселенной существуют свои ритмы и свои структуры. По-видимому, здесь есть связь со свойствами пространствавремени, которое для живого вещества отличается от пространства-времени для неживого. Получается, что неживое вещество состоит из одинакового количества правых и левых молекул, в то время, как в живых органических системах используется только одна из этих форм. Эта асимметрия жизни называется хиральностью, которая, видимо, обусловлена космической асимметрией или неким другим космическим фактором. В дальнейшем было установлено, что живые организмы содержат левые аминокислоты и правые сахара. Вернадский обосновал положение, что все характеристики жизни и времени совпадают: и жизнь, и время необратимы; они никогда не текут вспять; они всегда направлены одинаковым образом – из прошлого в будущее, т.е. асимметричны. Время – биологически содержательно, оно обусловлено сменой поколений. Таким образом, биологическое время отличается от времени физического (или космического). По мнению Вернадского биологическое время имеет совершенно чёткие мерные единицы. Если всё время существования жизни представить как единый монолит, то его «секундами» будут сами организмы. Какие именно из них выбрать за эталонные единицы для всего живого - это вопрос науки. Сам Вернадский считал мерными единицами делящиеся бактерии. Их изучение должно дать нам представление о внутреннем строении пространства и времени. Вся человеческая деятельность – от организма до истории - пронизана самыми разнообразными ритмами. У каждого живого существа и у каждой социальной системы есть свой внутренний ритм, который настраивается на те колебания, которые оказывают большее влияние. К числу таких факторов относится и Солнце, которое как колебательный источник энергии влияет на всё живое на Земле. Оно настраивает не только биологические процессы, но и процессы в обществе. ТРЕНИРОВОЧНЫЕ ТЕСТЫ по теме 9 1. Разнообразие всех организмов, существующих во всех экосистемах Земли, образует по выражению В.И.Вернадского: 1) «живое вещество»; 2) «живой мир»; 3) «живую Землю». 2. Пирамида энергии в экосистеме отражает: 1)постоянство энергии на всех трофических уровнях; 2) уменьшение количества энергии на каждом следующем трофическом уровне; 111 3) увеличение трофическом уровне. количества энергии на каждом следующем 3.Под временным напряжённым состоянием взаимоотношения между человечеством и природой понимают: 1) экологический кризис; 2) экологическую катастрофу; 3) загрязнение среды. КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ по теме 9 1.Что такое биосфера и какую роль играют живые организмы в формировании облика Земли? 2. В соответствии с какими законами развиваются и сменяют друг друга экосистемы? Как обеспечивается устойчивость природных систем? 3. Что такое ноосфера и каковы пути её достижения? 4. Кто такие учёные- космисты и какая идея их объединяет? 5.Будущее биосферы. Понятие о коэволюции. 6. Антропогенные экологические кризисы. Взаимодействие «человекприрода». ЛИТЕРАТУРА 1. Концепции современного естествознания. Учебник под редакцией проф. В.Н.Лавриненко, проф. В.П.Ратникова. М..ЮНИТИДАНА,2004,-317с. 2. Концепции современного естествознания. Учебное пособие под редакцией Самыгина С.И.; Ростов-на Дону; Высшее образование; 2003,-447с. 3. Свиридов, В. В. Концепции современного естествознания. Учебное пособие [Текст] / В.В. Свиридов- СПб. Питер, 2005, 349с. 4. Карпенков, С. Х. Концепции современного естествознания [Текст] / С.Х. Карпенков - М., Академический проект», 2004,-639с. Дополнительная : 1. Дубнищева, Т. Я. Концепции современного естествознания [Текст] / Т.Я. Дубнищева - М. ООО «Издательство ЮКЭА». 2005.- 832 с. 112 2. Архипкин, В. Г., Тимофеев, В. П. Естественнонаучная картина мира. Учебное пособие [Текст] / В.Г. Архипкин, В.П. Тимофеев - Красноярский гос. университет; Красноярск, 2002. 3. Кун, Т. Структура научных революций. Пер. с англ. [Текст] / Т. Кун М. ООО «Издательство АСТ», 2002.- 608 с. 4. Хокинг, С. От большого взрыва до чёрных дыр [Текст] / С. Хокинг М.; «Мир»; 1990.- 166 с. 5. Философия и методология науки.- М.; Аспект Пресс, 1996. 6. Риккерт, Г. Науки о природе и науки о культуре; пер. с нем. [Текст] / Г. Риккерт - М.; Республика, 1998. 7. Пригожин, И., Стенгерс, И. Порядок из хаоса. Новый диалог человека с природой. Пер. с анг. [Текст] / И. Пригожин, И. Стенгерс - М., Едиториал УРСС, 2003- 312 с. 8. Капица, С. П., Курдюмов, С. П., Малинецкий, Г. Г. Синергетика и прогнозы будущего [Текст] / С.П. Капица, С.П. Курдюмов, Г.Г. Малинецкий - М.;Эдиториал УРСС, 2001. 9. Синергетическая парадигма. Многообразие поисков и подходов - М.; Прогресс-Традиция, 2000. 10. Шкловский, И. С. Звёзды, их рождение, жизнь и смерть [Текст] / И. Шкловский - М. Наука, 1977. 11. Ахундов, М. Д. Концепции пространства и времени: истоки, эволюция, перспективы [Текст] / М.Д. Ахундов - М.; Наука,1982. 12. Воронцов-Вельяминов Б.А. Очерки о Вселенной. М.,1980. 13. Ровинский, Р. Е. Развивающаяся Вселенная [Текст] / Р.Е. Ровинский - М.,1996. 14. Новые идеи в методологии биологических исследований. Под ред. Баксанского О.3. 15. Чижевский, А. Л. Космический пульс жизни [Текст] / А.Л. Чижевский - М.; Мысль, 1995. 16. Киберентика живого. Человек в разных аспектах.-М.; Наука, 1985. 17. Глинка, И. Л. Общая химия [Текст] / И.Л. Глинка - М,; ИНТЕГРАЛПРЕСС, 2002. 18. Моисеев, Н. Н. Вернадский и современность [Текст] / Н.Н. Моисеев - Вопросы философии., 1994. - №4. 19. Моисеев, Н. Н. Быть или не быть человечеству? [Текст] / Н.Н. Моисеев - М., 1999. 20. Моисеев, Н. Н. Человек и ноосфера [Текст] / Н.Н. Моисеев - М., 1990. 21. Моисеев, Н. Н. Универсальный эволюционизм. Вопросы философии [Текст] / Н.Н. Моисеев – 1991, - № 3. Уважаемый студент! Для определения степени усвоения учебного материала Вам предлагается итоговый тест. Если при работе с ним у Вас 113 возникнут трудности, то необходимо в первую очередь определить, к какому разделу курса КСЕ относится данный вопрос, найти этот раздел в электронном пособии или в учебнике и внимательно прочитать. Правильный ответ необходимо выделить (каким-то значком или другим цветом, или другим шрифтом). Успехов Вам ! Итоговый тест для контроля знаний 1. Концепция –это: 1.система основополагающих идей и взглядов; 2.субъективное мнение человека; 3.приблизительное толкование каких-либо понятий; 4.наука о природе. 2. Дифференциация наук – это: 1.объединение наук по какому-то общему признаку; 2.расчленение, разложение объекта на составные элементы; 3.расчленение в процессе эволюции какой-либо науки на самостоятельные части; 4. описание истории возникновения науки. 3. Интеграция наук – это: 1.процесс сближения и связи наук, происходящий наряду с процессами их дифференциации; 2.обособление наук друг от друга; 3.противопоставление наук; 4.использование научных знаний на практике. 4. Изотропность –это: 1.неодинаковость свойств системы в разных направлениях; 2.одинаковость свойств системы (объекта) по всем направлениям; 3.зависимость свойств системы от температуры; 4.независимость свойств системы от температуры. 5. Неизменность какой-либо величины при изменении физических условий или по отношению к некоторым преобразованиям называется: 1.дискретностью; 2.иерархией; 3.эволюцией; 4.инвариантностью. 6. Совокупность правил, приёмов познавательной и практической деятельности, обусловленных природой и закономерностями исследуемого объекта называется: 1.анализом; 114 2.синтезом; 3.методом; 4.парадигмой. 7. Если поведение системы описывается функциями распределения, которые позволяют найти вероятности того, что рассматриваемые величины принимают те или иные значения в некотором интервале, то речь идёт о: 1.динамической теории; 2.статистической теории; 3.термодинамической теории; 4.электромагнитной теории. 8. Классическая механика, классическая электродинамика, феноменологическая термодинамика относятся к теориям: 1. статистическим; 2. революционным; 3.к динамическим; 4.к теории вероятности. 9. Обобщённый взгляд на мир в целом, на взаимосвязанные и самодвижущиеся элементы в нём, объясняющий всё разнообразие явлений окружающего мира на основе небольшого количества фундаментальных научных принципов, называется: 1.мировоззрением; 2 миропониманием; 3.мировосприятием; 4.естественнонаучной картиной мира. 10. Метод познания, при котором предметы и явления рассматриваются в движении, в развитии, во взаимодействии, называется: 1.метафизическим; 2.диалектическим; 3.теоретическим; 4.эмпирическим. 11. Неизменность (инвариантность) структуры материального объекта (или закона) относительно его преобразований называется: 1.симметрией; 2.изотропностью; 3.изоморфностью; 4.асимметрией. 115 12. Если в какой-то изолированной системе при протекании в ней необратимых процессов энтропия возрастает, то: 1.в этой системе возрастает степень её упорядоченности; 2.в этой системе возрастает степень беспорядка, возрастает деградация; 3.система становится открытой; 4.никаких изменений в системе не происходит. 13. При фазовых превращениях газ-жидкость-твёрдое тело: 1.энтропия всё время возрастает; 2.энтропия уменьшается; 3.в жидкости энтропия увеличивается, а в твёрдом теле уменьшается; 4.в жидкости энтропия уменьшается, а в твёрдом теле возрастает 14. Наука о процессах самоорганизации в сложных открытых неравновесных системах называется: 1.синергетикой; 2.кибернетикой; 3.генетикой; 4.биофизикой. 15. физический вакуум 1.это пустота; 2.это сильная степень разряжения газа, при которой длина свободного пробега молекул газа становится соизмеримой с размерами сосуда, в котором находится газ; 3.это особый вид материи- наинизшее энергетическое состояние поля, в котором число частиц –квантов поля- равно нулю; 4.это газ, находящийся под давлением ниже атмосферного. 16. Для всех материальных объектов вне зависимости от их природы характерно взаимодействие: 1.электромагнитное; 2.сильное (ядерное); 3.слабое (ответственно за взаимные превращения элементарных частиц); 4.гравитационное. 17. Какова природа нижеперечисленных сил: силы трения, силы упругости, сил межмолекулярного взаимодействия, силы взаимодействия заряженных тел? 1.все перечисленные силы по своей природе являются электромагнитными; 2.все перечисленные силы по своей природе являются ядерными; 116 3.силы межмолекулярного взаимодействия и трения являются гравитационными, остальные –электромагнитными; 4.силы трения и упругости являются слабыми, остальные –сильные. 18. В науке выделяют три уровня организации материи: макро-, микро- и мегамир. Какое из утверждений Вы считаете правильным: 1.все три мира отличаются только масштабом входящих в них структур; 2.на каждом из уровней действуют свои специфические законы, но все три мира теснейшим образом взаимосвязаны; 3.законы каждого уровня организации материи противоречат законам других уровней; 4.все уровни организации материи описываются одинаковыми законами природы. 19. Применительно к природе света правильным является утверждение о том, что: 1.свет обладает одновременно свойствами волны и корпускулы (частицы), но в каждом явлении проявляются только какие-то одни свойства, а другие выступают как дополнительные; 2.свет - это поток светящихся частиц (корпускул); 3.свет - это волны, которые распространяются подобно волнам на поверхности воды; 4.природа света неизвестна. 20. Фотон – это: 1 источник света; 2. квант электромагнитного поля; 3 составная частица ядра атома; 4. мельчайшая частица вещества. 21. Дебройлевская длина волны - это: 1 наибольшая длина волны в видимой части спектра; 2.длина волны фотона; 3. длина волны, связанной с движущейся микрочастицей; 4.наименьшая длина волны в видимой части 22. По природе волны де-Бройля являются: 1.упругими; 2.электромагнитными; 3. волнами вероятности; 4.акустическими. 23. Процессы микромира подчиняются закономерностям: 117 спектра. 1.динамическим; 2.статистическим; 3.классическим; 4.релятивистским. том, 24. В соотношении неопределённостей Гейзенберга говорится о 1. что микромир непознаваем; 2. что у микрочастицы нельзя одновременно точно определить её координату и скорость (или импульс ); 3. что микрочастица имеет определённые координаты и скорость; 4. что в микромире отсутствуют причинно-следственные связи. 25. Корпускулярно-волновой дуализм материи означает, что: 1.материя может существовать в виде дискретных частиц и в виде непрерывных полей; 2.любой материальный объект характеризуется наличием как корпускулярных свойств, так и волновых.; 3.применительно к материи такого понятия нет – это относится только к свету; 4.любой физический объект характеризуется пространственновременными координатами. 26. Глобальный эволюционизм означает: 1.признание невозможности существования Вселенной и всех порождаемых ею менее масштабных систем вне развития, эволюции; 2.имеющие в природе место катастрофы, катаклизмы; 3.постепенное развитие Солнечной системы; 4.способность материи к самоорганизации. 27. Наблюдаемая способность материи к самоусложнению и созданию всё более упорядоченных структур в ходе эволюции называется: 1. интеграцией; 2.дифференциацией; 3.самоорганизацией; 4.формализацией. 28. Точка бифуркации –это: 1 точка начала отсчёта времени с момента зарождения Вселенной; 2. температура, при которой происходит фазовый переход вещества; 3. точка пространства-времени, в которой кривизна его становится бесконечной; 118 4 критическое состояние системы, в котором параметры системы позволяют ей перейти в новое состояние. 29. Если исходить из того, что Вселенная в широком смысле –это весь существующий мир, безграничный и бесконечный, то: 1.Вселенная существует вечно; 2.Возраст Вселенной составляет примерно 15-20 млрд. лет; 3.Возраст Вселенной исчисляется от рождества Христова; 4.Вселенная существует примерно 5 млрд. лет. 30. Если под Вселенной понимать нашу Вселенную, к которой принадлежит Солнечная система, то: 1.она возникла в результате Большого взрыва примерно 15 млрд. лет назад; 2.она существует вечно; 3.она появилась в соответствии с замыслами Творца ; 4.она возникла примерно 5 млрд. лет назад. 31. Говоря о строении Земли, упоминают литосферные плиты. Это: 1.материки; 2.залежи полезных ископаемых; 3.крупные блоки земной коры (континентальной и океанической); 4.сгустки магмы. 32. Атмосфера Земли состоит из тропосферы, стратосферы, ионосферы и экзосферы. За погоду на Земле ответственны: 1.в первую очередь тропосфера и стратосфера; 2.ионосфера; 3.экзосфера и тропосфера;. 4.все перечисленные выше слои. 33. Химический элемент –это: 1. всё разнообразие веществ природы; 2. наиболее простые молекулы; 3. группа атомов с одинаковым зарядом ядра; 4. группа атомов с одинаковой валентностью. 34. Свойства веществ согласно теории химического строения зависят: 1.от валентности элементов, входящих в вещество; 2.от количества веществ; 3.от массы и молярной массы вещества; 119 4.свойства веществ определяются порядком связей атомов в молекулах и их взаимным влиянием. счёт: 35. Образование химических связей в веществах происходит за 1. перегруппировки атомов; 2. перестройки электронных оболочек; 3 .изменения структуры атомов; 4. взаимодействия электронов и ядер атомов. 36. Предпосылки для возникновения современной химии создала 1.квантовая физика; 2.кристаллография; 3.биология; 4.биохимия. 37. Основная задача современной химии состоит: 1.в исследовании структуры химических элементов; 2.в исследовании реакционной способности веществ; 3.в получении новых веществ с необходимыми свойствами; 4.в расширении таблицы Д.И.Менделеева. 38. Фуллерены - это 1. молекулы – многогранники, состоящие из нескольких десятков атомов углерода. Обладают хорошей фотопроводимостью, могут быть сверхпроводниками и ферромагнетиками. На их основе создаются принципиально новые полимерные материалы; 2. фторсодержащие вещества с неизвестными пока свойствами; 3. биополимеры, используемые в нанотехнологиях; 4. новые синтетические материалы, особенно распространённые в лёгкой промышленности. 39. Живые системы отличаются от неживых: 1. только способностью к размножению; 2 только способностью к обмену веществ (метаболизму); 3.способностью к обмену веществ, самовоспроизведению путём передачи наследственной информации и изменчивостью на основе мутаций; 4.только изменчивостью на основе мутаций. 40. В вопросе о возникновении жизни современная наука отдаёт предпочтение концепции: 1. креационистской; 2. концепции панспермии; 120 3. 4. эволюционистской; спонтанного зарождения жизни. 41. Материальным носителем генетической информации в живых организмах являются: 1.молекулы дезоксирибонуклеиновой кислоты (ДНК); 2.ядра клеток; 3.молекулы рибонуклеиновой кислоты (РНК); 4.белки. 42. Наука о законах наследственности и изменчивости организмов называется: 1. биологией; 2. генетикой; 3. кибернетикой; 4. синергетикой. 43. Совокупность генов, содержащихся в одинарном наборе хромосом данного организма, называется: 1.генотипом; 2.генофондом; 3.геномом; 4.геноцидом. 44. Клонирование –это: 1.искусственное воспроизведение копии живого существа из соматической (неполовой) клетки; 2.создание организмов с новыми комбинациями наследственных свойств; 3.выведение сортов и гибридов растений и животных с нужными человеку признаками; 4.размножение живых организмов и растений. 45. Область активной жизни, в которой живые организмы и среда их обитания органически взаимосвязаны и образуют целостную динамическую систему, называется: 1. атмосферой; 2.стратосферой; 3.биосферой; 4.литосферой. 46. Ноосфера- это: 1. часть атмосферы, прилегающая к поверхности Земли; 121 2.новое состояние биосферы, в которое она переходит под влиянием научной мысли и человеческого труда; 3.синоним астрономического определения Вселенной; 4.совокупность звёздных систем. 47. Продолжается ли эволюция человека в настоящее время и какие факторы (биологические или социальные) играют при этом решающую роль? 1. эволюция человека закончилась с появлением Нomo sapiens; 2.эволюция продолжается и решающую роль в этом играют биологические факторы; 3.эволюция человека продолжается и решающая роль в ней отводится социальным факторам; 4.решающая роль в эволюции человека принадлежит окружающей среде. 48. Человек: индивид и личность. Какое из утверждений является правильным ? 1.любой человек является личностью; 2.личность - это социальная индивидуальность человека; личностью не рождаются, личностью становятся; 3.личность - это природная индивидуальность человека; 4.только образованный человек является личностью. ВОПРОСЫ ДЛЯ ПОДГОТОВКИ К ЗАЧЁТУ 1.Культура. Специфика естественнонаучной и гуманитарной культур. Основные вехи развития естествознания. Роль естествознания в формировании профессиональных знаний. Тенденции развития и важнейшие достижения современного естествознания. 2.Естественнонаучное познание, его структура и методы. Соотношение эмпирического и теоретического уровней исследования, фундаментального и прикладного. 3.Состояние физической системы. Динамические и статистические закономерности в природе. 4.Концепции симметрии и законы сохранения. 5.Термодинамический метод исследования макросистем. Первый и второй законы термодинамики. Понятие энтропии. Принцип возрастания энтропии в изолированных системах. 122 6.Понятие о научной картине мира. Научные революции. Общие контуры современной естественнонаучной картины мира. Макро-, микро- и мегамиры. 7.Концепция развития. Понятия системности, динамизма, самоорганизации. 8.Синергетика и становление нового понимания мира. Универсальный эволюционизм. 9.Материя, движение, взаимодействия. Структурные уровни организации материи. Корпускулярная и континуальная концепции описания природы. 10.Пространство и время в классической механике. Механический принцип относительности Галилея. 11.Понятие о специальной теории относительности. Постулаты Эйнштейна. 12. Пространство и время в релятивистской механике. Преобразования Лоренца и следствия из них (размеры тел и длительность событий). Взаимосвязь массы и энергии. 13.Корпускулярно-волновой дуализм света. Фотон и его характеристики. 14.Квантовомеханические концепции описания природы. Квантование и дискретность. 15.Корпускулярно-волновой дуализм материи. Волны де-Бройля. Соотношение неопределённостей Гейзенберга. Принцип дополнительности Бора. Волновая функция. 16.Мегамир. Современные космологические концепции Вселенной. Антропный принцип и эволюция Вселенной. Тонкая подстройка Вселенной. Структура Вселенной. 17.Земля – планета Солнечной системы. Строение и эволюция Земли. 18.Специфика химического познания природы. Место химии в естествознании. Химический элемент и химические вещества. Виды химических связей. 19.Особенности биологического уровня организации материи. Сущность живого, его основные признаки. Концепции возникновения жизни. 20.Структурные уровни живого. Принципы эволюции, воспроизводства и развития живых систем. 21.Клетка как «первокирпичик» живого. Механизм управления клеткой. 22.Ген и его свойства. Генетика и практика. Социально-этические проблемы генной инженерии. Понятие о биоэтике. 23.Человек как предмет естественнонаучного познания. Проблема антропогенеза. 24.Биологическое и социальное в историческом развитии человека. Экология и здоровье человека. 123 25.Учение В.И.Вернадского о биосфере. Человек и Ноосфера. Путь к единой культуре. биосфера. Примерная тематика рефератов или презентаций 1.Наука в духовной культуре общества. 2.Современная естественнонаучная картина мира. 3.На пути к единой теории поля. 4.Энтропия как мера обесцененности энергии, мера хаоса. 5.Синергетика и современное естественнонаучное познание. 6.Концепция самоорганизации и универсальный эволюционизм. 7.Концепции симметрии и законы сохранения. 8.Современные проблемы энергетики. 9.Кварки- новые субъединицы материи. 10.Пятое состояние вещества. 11.Нобелевские лауреаты в естествознании и их открытия. 12.Современный рационализм. 13.Модель большого взрыва и расширяющейся Вселенной. 14.Одиноки ли мы во Вселенной? 15.Современные средства наблюдения объектов Вселенной. 16.Фуллерены и фуллереноиды и их физико-химические свойства. 17 Жидкие кристаллы и их применение. 18.Специфика молекулярной биологии. 19.Происхождение и эволюция жизни. 20.Генная инженерия и практика. 21.Проблемы клонирования. 22.Происхождение человека и цивилизации. 23.Человек, биосфера и космические циклы. 24. Человек как предмет естественнонаучного познания. 25.Проблемы здоровья и долголетия человека. 26.Генезис и сущность сознания. 27.Биологическое и социальное в историческом развитии и онтогенезе человека. 28.Бессознательное и сознательное в человеке. 29.Биоэтика и поведение человека. 30.Ноосфера в прошлом и будущем. 31.Концепция ноосферы и её научный статус. ГЛОССАРИЙ (ВАЖНЕЙШИЕ ТЕРМИНЫ И ПОНЯТИЯ) 124 Абсолютный нуль температуры - это ноль Кельвин. Т = 0 К = -273° С Атомизм (атомное учение, атомистика) - учение о прерывистом, дискретном строении материи, возникло в античном мире (атомизм Демокрита). До конца 19 века атомизм утверждал, что материя состоит из отдельных неделимых частиц – атомов. Вакуум физический – это наинизшее энергетическое состояние квантового поля, в котором за счёт флуктуаций материя может переходить из ненаблюдаемой формы в наблюдаемую без нарушения законов сохранения. Валентность бывает двух видов. Положительная валентность определяется числом атомов водорода, которое данный элемент способен заместить в химическом соединении, т.е. максимальная положительная валентность атома равна числу его валентных электронов. Максимальная отрицательная валентность равна разности числа 8 и числа внешних электронов. Виртуальные частицы - частицы в промежуточных состояниях, существующие короткое время, которое связано с их энергией соотношением неопределённостей. Благодаря обмену различными виртуальными частицами возникают физические взаимодействия. Например, при электромагнитном взаимодействии заряженных частиц они обмениваются виртуальными фотонами. Галактики – огромные звёздные системы, состоящие из миллиардов звёзд. В межгалактическом пространстве звёзд нет. Каждая звезда относится к какой-нибудь галактике. Так, Солнце со всеми своими планетами принадлежит галактике Млечный Путь. Гелиоцентрическая система мира - возникшее в эпоху возрождения (Н.Коперник) представление о строении Солнечной системы. Центральным телом, вокруг которого обращаются все планеты, является Солнце. Геоцентрическая система мира (система мира Птолемея) возникла в древнегреческой науке. Согласно геоцентрической системе в центре Вселенной находится Земля, вокруг которой по сложным орбитам обращаются Солнце и другие небесные светила. 125 Гомеостаз – свойство саморегулирующихся систем поддерживать своё оптимальное состояние за счёт сложной совокупности обратных связей. Гравитон – гипотетическая гравитационного поля. частица, являющаяся квантом Гравитационный радиус – это радиус тела массой М, которое становится чёрной дырой = 2GM/ , где G – гравитационная постоянная, С – скорость света в вакууме. Для чёрной дыры вторая космическая скорость равна скорости света. Детерминизм – это учение об объективной закономерной взаимосвязи и причинной обусловленности всех явлений. Дискретный- прерывный, состоящий из отдельных частей. Доминанта- основной признак или главенствующая часть чего -либо. Зигота - клетка, образовавшаяся при слиянии двух гамет (мужской и женской) и имеющая двойной (диплоидный) набор хромосом. Иерархия – субординация, упорядоченное расположение от низшего к высшему. Изотропность – одинаковость свойств по всем направлениям. Инвариантность- неизменность какой-либо величины при изменении физических условий или по отношению к некоторым преобразованиям, обычно преобразованиям координат и времени при переходе от одной инерциальной системы отсчёта к другой. Инверсия геомагнитного поля- изменение направления (полярности) магнитного поля Земли на обратное. Наблюдается через интервалы времени от 500 тысяч лет до 50 млн. лет. Инерциальная система отсчёта - это такая система, в которой тело, на которое не действуют силы или равнодействующая всех сил равна нулю, покоится или движется равномерно прямолинейно, т.е. система, в которой выполняются законы Ньютона. Квант – понятие, введённое Планком для обозначения элементарной дискретной порции энергии. 126 Классическая частица в отличие от квантовой частицы не проявляет волновых свойств. Континуальность – непрерывность. Концепция – определённый способ понимания, трактовки каких-либо явлений. Корпускула - частица. Креационизм – концепция, согласно которой мир сотворён Богом. Магнитное поле – особый вид материи, составная часть электромагнитного поля, создаётся движущимися электрическими зарядами. Проявляет себя по силовому действию на движущиеся электрические заряды, токи и магнитную стрелку. Макромир – это Вселенная, рассматриваемая в масштабе, более или менее соизмеримом с размерами человеческого тела. В макромире преобладает электромагнитное взаимодействие, существенную роль играет гравитационное взаимодействие, он доступен нашему непосредственному восприятию и описывается законами классической физики. Мегамир - это Вселенная, рассматриваемая в столь крупном масштабе, что он несоизмерим с размерами человеческого тела, а потому не доступен нашему непосредственному восприятию. В мегамире преобладает гравитационное взаимодействие, его свойства описываются законами общей теории относительности. Метаболизм – обмен веществ, включает совокупность всех химических процессов и всех видов превращения вещества и энергии, которые обеспечивают жизнедеятельность организмов, их самовоспроизведение и связь с окружающей средой. Микромир – это Вселенная, рассматриваемая в столь мелком масштабе, что он несоизмерим с размерами человеческого тела, а потому недоступен нашему непосредственному восприятию. В микромире преобладают слабые и сильные взаимодействия, его свойства описываются законами квантовой физики. 127 Мутация – внезапное изменение наследственных структур (генов), вызванное естественным или искусственным путём. Мутации – основа изменчивости в живой природе. Нелинейность – понятие, обозначающее процессы, описываемые нелинейными уравнениями. В математическом смысле – это уравнения, которые содержат искомые величины в степенях больше единицы и соответственно имеют не одно, а несколько качественно различных решений. В более широком смысле понятие нелинейности используется для указания на многовариантность, альтернативность и необратимость возможных путей эволюции сложных самоорганизующихся систем. Ноосфера – сфера разума, высшая ступень развития биосферы, область активного проявления человека. Нуклеиновые кислоты – дезоксирибонуклеиновая кислота (ДНК) и рибонуклеиновая кислота (РНК), биологически активные полимеры, которым принадлежит главная роль в синтезе белка и передаче наследственной информации. Онтогенез - процесс индивидуального развития организма от рождения до смерти. Парадокс – неожиданное, непривычное рассуждение или вывод, не согласующийся с традиционной точкой зрения. Наличие парадоксов говорит о несостоятельности какой-либо теории или её аксиом. Планетарная модель атома предложена Э.Резерфордом в 1911 году. В центре атом находится положительно заряженное ядро, вокруг которого по замкнутым орбитам движутся отрицательные электроны. Модель напоминает строение нашей Солнечной системы. Принцип соответствия был впервые сформулирован Н.Бором в 1923 году. Суть его состоит в том, что всякая новая теория не отвергает предшествующую, а включает её в себя как частный случай. Например, законы релятивистской механики (теории относительности) переходят в законы классической механики при скорости тел, намного меньшей скорости света; а законы квантовой механики переходят в законы классической механики, если можно пренебречь величиной кванта действия (постоянной Планка). Реликтовое излучение – фоновое космическое электромагнитное излучение, сохранившееся со времён ранней стадии эволюции Вселенной. 128 Релятивистский – относительный. Релятивистская механика - это механика теории относительности. Световой год – это расстояние, которое свет проходит за один год. 1 световой год равен примерно 10 000 млрд. км. Тераэлектронвольт ( Тэв) – триллион эВ. Термодинамическая система – это макроскопическое тело или его части, которые обмениваются между собой тепловой энергией. Термодинамическая вероятность W равна числу микроскопических способов, с помощью которых может быть осуществлено данное макросостояние. Элементарные частицы – далее неразложимые частицы, составляющие глубинный уровень организации материи. В настоящее время такими частицами являются кварки. Электрическое поле - особый вид материи, составная часть электромагнитного поля. Создаётся заряженными телами и проявляет себя по силовому действию на другие заряженные тела. Список цитируемой литературы 1. Концепции современного естествознания. Под ред. В.Н. Лавриненко, В.П. Ратникова. Юнити, М.,2004. 2. Концепции современного естествознания. Под ред. С.И. Самыгмна, РнД. Фениес. 2003. 3. В.В.Свиридов. Концепции современного естествознания. СПБ.: Питер.2005. 4. С.Х. Карпенков. Основные концепции естествознания. М., Академический проект, 2004. Автор данного пособия желает Вам успехов в освоении курса «Концепции современного естествознания» и надеется, что изучение данной дисциплины доставит Вам удовольствие и принесёт пользу в Вашей профессиональной деятельности. 129 i 130
