Концепции современного естествознания (учебное пособие)

Министерство образования и науки России
Федеральное государственное бюджетное образовательное
учреждение высшего профессионального образования
«Казанский национальный исследовательский технологический университет»
А. Т. Свергузов
КОНЦЕПЦИИ СОВРЕМЕННОГО
ЕСТЕСТВОЗНАНИЯ
Учебное пособие
Казань
Издательство КНИТУ
2014
1
УДК 50(075.8)
ББК 20я73
Свергузов А.Т.
Концепции современного естествознания : учебное пособие /
А. Т. Свергузов; М-во образ. и науки России, Казан. нац. исслед.
технол. ун-т. – Казань : Изд-во КНИТУ, 2014 – 100 с.
ISBN 978-5-7882-1756-7
Изложены основные элементы современной естественнонаучной
картины
мира
с
точки
зрения
диалектикоматериалистического подхода. Пособие соответствует требованиям
государственного
образовательного
стандарта
Министерства
образования и науки РФ.
Предназначено для студентов высших учебных заведений
гуманитарного профиля подготовки, изучающих дисциплины
«Концепции современного естествознания» и «Современная научная
картина мира».
Подготовлено на кафедре философии и истории науки.
Печатается по решению редакционно-издательского совета
Казанского национального исследовательского технологического
университета.
Рецензенты: д-р филос. наук, проф. Н.М.Солодухо
канд. филос. наук, доц. П.Н.Курлович
© Свергузов, А.Т., 2014
© КНИТУ, 2014
ISBN 978-5-7882-1756-7
2
СОДЕРЖАНИЕ
Введение-------------------------------------------------------------------------------------------------4
Глава I. СПЕЦИФИКА ЕСТЕСТВЕННО-НАУЧНОГО ЗНАНИЯ
§1. Понятие науки и научной картины мира----------------------------------------5
§2. Естественные и гуманитарные науки---------------------------------------------6
§3. Исторические этапы развития науки----------------------------------------------7
§4. Общие контуры естественно-научной картины мира------------------------9
§5. Особенности современной естественно-научной картины мира---------10
Глава II. ФИЗИЧЕСКАЯ КАРТИНА МИРА
§6. Представления классической физики-------------------------------------------12
§7. Представления неклассической физики----------------------------------------13
§8. Специальная теория относительности------------------------------------------14
§9. Общая теория относительности---------------------------------------------------16
§10. Квантовая механика-----------------------------------------------------------------19
§11. Элементарные частицы------------------------------------------------------------22
§12. Вакуум-----------------------------------------------------------------------------------25
§13. Фундаментальные взаимодействия---------------------------------------------27
§14. Единая теория поля------------------------------------------------------------------31
Глава III. АСТРОНОМИЧЕСКАЯ КАРТИНА МИРА
§15. Представления классической астрономии------------------------------------34
§16. Представления современной астрономии-------------------------------------35
§17. Эволюция звезд-----------------------------------------------------------------------36
§18. Конечная стадия эволюции звезд------------------------------------------------40
§19. Эволюция Вселенной---------------------------------------------------------------43
§20. Будущее Вселенной------------------------------------------------------------------47
Глава IV. ХИМИЧЕСКАЯ КАРТИНА МИРА
§21. Представления классической химии-------------------------------------------48
§22. Представления современной химии--------------------------------------------52
§23. Предмет химии------------------------------------------------------------------------53
§24. Концептуальные этапы развития химии--------------------------------------55
§25. Эволюционная химия---------------------------------------------------------------57
Глава V. БИОЛОГИЧЕСКАЯ КАРТИНА МИРА
§26. Предмет биологии--------------------------------------------------------------------61
§27. Представления о происхождении и сущности жизни----------------------62
§28. Основные этапы эволюции жизни----------------------------------------------64
§29. Уровни организации живой природы------------------------------------------68
§30. Учение о биосфере--------------------------------------------------------------------70
§31. Клеточная теория--------------------------------------------------------------------72
§32. Генетика и молекулярная биология--------------------------------------------74
§33. Теория эволюции---------------------------------------------------------------------79
§34. Антропогенез--------------------------------------------------------------------------84
Глоссарий----------------------------------------------------------------------------------------------89
Персоналии--------------------------------------------------------------------------------------------95
Некоторые физические постоянные и величины------------------------------------------98
Библиографический список----------------------------------------------------------------------99
3
Введение
Цель работы – помочь студентам, изучающим общественные и
гуманитарные науки, овладеть основными представлениями
современной естественно-научной картины мира. Усвоение в общем
виде основных принципов и методов исследования, применяемых в
современном естествознании, будет способствовать формированию у
будущих специалистов адекватного действительности мировоззрения
и научного стиля мышления.
Наука несовместима с квазинаучным мировоззрением,
псевдонаучными идеями. Только люди, обладающие научным
мышлением и мировоззрением, могут успешно противостоять как
интеллектуальному догматизму, так и интеллектуальному анархизму.
Курс
«Концепции
современного
естествознания»
должен
способствовать формированию подлинно научного мировоззрения.
Акцент делается на естественно-научном знании. Философские
и методологические аспекты науки рассматриваются в специальной
литературе [например: 7, 8, 9, 19, 20, 22, 23].
В пособии излагаемые вопросы рассматриваются с
материалистических позиций. Содержанием работы являются
основные разделы современного естествознания - концепции в
области физики, астрономии, химии и биологии. Материал
представлен таким образом, чтобы показать их фундаментальную
взаимосвязь. На основе принципа универсального эволюционизма в
природе раскрывается единство микро-, макро- и мегамиров, развитие
материи от простого к сложному. Стержнем пособия является
освещение актуальных мировоззренческих проблем: происхождение
Вселенной, жизни и человека.
4
Глава I. СПЕЦИФИКА ЕСТЕСТВЕННО-НАУЧНОГО ЗНАНИЯ
§1. Понятие науки и научной картины мира
Наука представляет собой одну из исторических форм познания.
Познание может быть донаучным, вненаучным и научным. Ненаучное
знание лишь фиксирует и поверхностно описывает некоторые факты.
Научное знание также объясняет факты, выявляет весь комплекс
причин, порождающих явление.
Наука – форма познания, направленная на получение
объективных знаний о действительности, имеющих доказательство.
Наука стремится к максимальной объективности, отразить мир
так, как он существует сам по себе. Никакой другой вид знания
(искусство, идеология, религия) такой цели перед собой не ставит.
Пример: наука и религия – наука направлена на поиск естественных, а
не сверхъестественных причин тех или иных явлений. Специфика
научного знания – доказательство (теоретическое или эмпирическое).
Современная наука определяет мировоззрение человека, связана
с практикой преобразования природы и социальных отношений.
Большая часть материальной культуры создана на базе науки.
Научная картина мира (НКМ) – форма обобщения и синтеза
научных знаний в виде системы общих представлений о природе.
В НКМ выделяют общенаучные картины мира (естественнонаучную и социально-гуманитарную) и частнонаучные (физическую,
астрономичесую, химическую, биологическую). В основе НКМ лежат
прежде всего представления естественных наук (физики, астрономии,
химии, биологии), являющихся фундаментом научного знания.
Понятийный аппарат представлен философскими категориями
(материя, движение, пространство, время и др.) и принципами
(материального единства мира, всеобщей связи и обусловленности
явлений и др.), общенаучными понятиями и законами (например,
закон
сохранения
энергии,
самоорганизация),
а
также
фундаментальными понятиями отдельных наук (вещество, поле,
Вселенная, популяция и др.).
5
§2. Естественные и гуманитарные науки
Наука представляет систему из нескольких тысяч дисциплин. По
степени удаленности от практики их классифицируют на
фундаментальные, не связанные непосредственно с практикой, и
прикладные. По предмету выделяют науки всеобщие, общенаучные и
частные (естественные, технические и гуманитарные).
Философия является наукой о всеобщем. Предметом
общенаучных теорий являются аспекты всеобщего. К общенаучным
дисциплинам относятся математические науки, синергетика,
кибернетика, информатика, теория систем. Например, математика
изучает количественные закономерности мира.
Предметом естественных наук является природа. Предмет
технических наук – техника, законы создания и функционирования
технических устройств. Гуманитарные науки (обществознание) –
науки о человеке и обществе. Гуманитарные науки, в свою очередь,
делятся на социальные и собственно гуманитарные. Предметом
социальных наук является общество, гуманитарных - человек.
Задачей фундаментальных наук является познание законов,
лежащих в основе бытия. Они определяют содержание научной
картины мира. Прикладные науки направлены на практическое
применение результатов фундаментальных наук.
К
фундаментальным
относятся:
философские
науки,
общенаучные
дисциплины,
естественные
науки
(механика,
астрономия, физика, химия, геология, география, биология, зоология,
антропология и др.), социальные науки (история, археология,
этнография, экономика, политология, право и др.), гуманитарные
науки (психология, филология, лингвистика и др.).
К прикладным наукам относятся: технические науки
(технология машин, сопротивление материалов, металлургия,
электротехника, ядерная энергетика, космонавтика и др.),
сельскохозяйственные, медицинские, педагогические науки и т.д.
Следует отметить, что утверждение «гуманитарные науки –
науки о человеке, а естественные – о природе» не совсем корректно,
т.к. биология тоже изучает человека, а теоретическая психология,
математическая лингвистика, экономика, социология и др. используют
методы естествознания (человек – часть природы). Грани между
6
естественными и гуманитарными науками нечетки, поэтому их не
следует делить по степени точности или объективности.
Методы естествознания являются основой познания, т.к.
физическая, химическая и биологическая формы движения являются
фундаментом для социальной формы движения материи. А опыт
играет в естественных науках принципиально важную роль. Как
сказал физик У.Томсон (лорд Кельвин): «Если вы можете измерять и
выражать в числах то, о чем говорите, то об этом предмете вы кое-что
знаете». Квантовая механика, например, была создана под давлением
фактов в противовес убеждениям научного сообщества в истинности
принципов классического естествознания. Степень проникновения
естественнонаучных методов в гуманитарные науки возрастает.
Например, в исторических исследованиях оно дает надежную основу
для уточнения дат исторических событий. Без естественных наук были
бы невозможны достижения о происхождении человека и общества.
§3. Исторические этапы развития науки
В разных отраслях познания переход от донаучного знания к
научному происходил в разное время. Переход был связан с
осознанием идеи доказательности знания, с определением предмета
познания, с открытием фундаментальных законов, позволяющих
объяснять множество фактов, с формулированием базовых принципов,
на которых строится фундаментальная теория. В философии такой
переход совершился в античности – VI веке до н.э., математике – III
веке до н.э., астрономии – II веке н.э., физике – в XVII веке, химии –
XVIII, биологии – XIX, психологии – XX и т.п.
В развитии науки выделяются исторические этапы, а в их рамках
эволюционные и революционные периоды. Научная революция –
закономерный, периодически повторяющийся процесс перехода к
новому способу познания под давлением эмпирических фактов.
Выделяют три глобальные научные революции, а в их рамках
выделяют коперниканскую, дарвиновскую, квантовомеханическую и
синергетическую миниреволюции.
Аристотелевская наука (VI до н.э.-XV) - существует идея
доказательства знания, но эксперимент как метод познания
неизвестен. Важнейшие теории: учение о числах Пифагора,
открывшего понятие иррациональности, атомистика Демокрита,
7
логика (учение о доказательстве) Аристотеля, первая законченная
теоретическая система - геометрия (метод аксиом) Евклида,
геоцентрическая космология Аристотеля-Птолемея (звезды и планеты
прикреплены к твердым и прозрачным сферам, вращающимся вокруг
Земли). Наука не самостоятельна, развивается в рамках философии.
Ньютоновская или классическая наука (XVI-XIX). Здесь наука
отделилась от философии, т.е. наука в собственном смысле слова.
Утвердилась идея практического (экспериментального) доказательства
знания (отсюда название – экспериментально-математическое
естествознание). Формальной датой возникновения современной
науки считается 1543 год, когда Н.Коперник опубликовал в
завершенном виде гелиоцентрическую модель мира.
Основоположниками классической науки являются Галилео
Галилей и Исаак Ньютон. Галилей – физик и астроном, основатель
экспериментального метода познания, создатель телескопа. Галилей
сумел дать естественнонаучное доказательство справедливости
гелиоцентрической системы. Ньютон завершил начатое Галилеем
создание классической механики и открыл закон всемирного
тяготения (1687). В этот период ядром науки является механика
Ньютона, считающаяся универсальным методом объяснения всех
явлений. Лаплас сформулировал идею абсолютного механистического
детерминизма. Максвелл в 1864 году создал электродинамику –
теорию электромагнитного поля. Это вторая фундаментальная теория
классической науки, отличная от механики, но принципиально не
опровергающая
механистическое
мировоззрение,
казавшееся
единственно возможным.
Эйнштейновская или неклассическая
наука (XX-XXI)
основана на представлениях квантовой механики (1927), лежащей в
основе наук о микромире; теории относительности Эйнштейна (СТО,
1905 и ОТО, 1916) – физической теории пространства и времени;
синергетики (1970-е годы) – теории самоорганизации материи.
Иногда говорят о постнеклассической науке, ядром которой
объявляется синергетика. Например, один из основоположников
синергетики объявил ее «обобщением физики»1. Но синергетика
дополняет, а не опровергает прежние физические представления. По
словам А.И.Липкина, физическая проекция синергетики – не
1
Пригожин И. От существующего к возникающему. М.: Наука, 1985. С.160.
8
«обобщение квантовой механики и космологии», а еще один раздел
физики, являющийся обобщением кинетической теории Больцмана2.
§4. Общие контуры естественно-научной картины мира
До конца XIX века в обществе господствовала религиозная
картина мира (креационизм), согласно которой Бог создал мир из
ничего 7.5 тысяч лет назад (5509г. до н.э. по подсчетам христианских
богословов XIX века) за 6 дней. Все виды материальных объектов
были созданы в готовом виде.
Общие контуры современной научной картины мира:
-14 миллиардов лет назад - возникла Вселенная (2003);
-13 млрд. лет назад - галактики и звезды первого поколения;
-5 млрд. лет назад – Солнце;
-4.6 млрд. лет назад – Земля;
-3.8 млрд. лет назад – жизнь;
-2.5 млн. лет назад – начался антропогенез;
-150 тыс. лет назад - появился человек современного типа;
-40 тыс. лет назад - завершилась биологическая эволюция человека.
Уровни организации материи:
-макромир - мир объектов масштаба человеческого опыта, т.е.
пространственные величины которого измеряются в миллиметрах,
сантиметрах и километрах, временные - в сек., минутах, часах, годах;
-микромир - мир предельно малых непосредственно не наблюдаемых
объектов, т.е. пространственная размерность которых измеряется от
10-8 см (размер атома) до 10-16 см (предполагаемый размер кварка), а
время жизни от бесконечности до 10-24 сек (время жизни самых
нестабильных частиц – резонансов);
-мегамир - мир космических объектов, расстояния в котором
измеряются световыми годами, время – млн. и млрд. лет.
Формы организации материи:
-формы организации неживой природы: элементарные частицы,
атомы, молекулы, поля, вакуум, макроскопические тела, планеты,
звезды, галактики, скопления галактик, Метагалактика (наблюдаемая
часть Вселенной);
2
Философия науки/ под ред. А.И.Липкина. С.419.
9
-формы организации живой природы: доклеточные системы
(нуклеиновые кислоты и белки), субклеточные системы (вирусы),
клетки (одноклеточные организмы и элементарные единицы живых
организмов), многоклеточные организмы (растения и животные),
надорганизменые структуры (виды, популяции, биоценозы, биосфера).
§5. Особенности современной естественно-научной картины мира
В изучении природы сложились два противоположных метода
познания, приобретших статус общефилософских – диалектический и
метафизический. При метафизическом подходе явления окружающего
мира рассматриваются изолированно друг от друга, без учета их
взаимных связей. Этот подход господствовал в классической науке.
Исторически первая научная картина мира сложилась в XVII-XVIII
веках на основе классического естествознания.
Механистическая картина мира, долгое время считавшаяся
единственно возможной, сформировалась на основе механики
Ньютона. В рамках механистической парадигмы Вселенная
представала как механизм, действующий по строгим законам
необходимости. В таком мире нет случайности. Случайность – это то,
причин чего пока не знаем. Вселенная представляет пустое
пространство, в котором по строгим траекториям движутся массы
вещества. Материя – вещество - состоит из неделимых атомов,
обладающих постоянной массой. Время абсолютно и независимо от
вещества. На основе знания настоящего возможно однозначно
предсказать будущее и реконструировать прошлое. Такой взгляд стал
следствием абсолютизации законов классической механики Ньютона,
отрицания объективного характера случайности в философии
Р.Декарта, Б.Спинозы и французских материалистов XVIII века.
Новые открытия в естествознании, не находящие объяснения в
рамках прежней парадигмы, подталкивали ученых к отказу от
классических механистических представлений. Научная революция на
рубеже XIX-XX веков привела к трансформации классического
взгляда на реальность. Это специальная и общая теория
относительности А.Эйнштейна, квантовая механика, астрофизика,
синергетика. Наполнение новой парадигмы происходило также за счет
психологии (концепция бессознательного), биологии (генетика).
10
Современная наука переосмыслила понятия пространства,
времени, материи, причинности, случайности и непрерывности. Новая
парадигма
отказывается
от
субстанциональной
концепции
пространства и времени в пользу реляционной. Материя не сводится к
веществу, существуя также в форме поля и вакуума. Современный
детерминизм признает объективный характер случайности. Случайные
события могут произойти или не произойти – их появление зависит от
несущественных условий.
Основой современной научной картины мира являются
фундаментальные знания, полученные, прежде всего, в области
физики. В конце ХХ века стали говорить об усилении влияния
биологии (идея единства земной и космической эволюции).
В современной науке универсальной является идея развития,
проникновение которой в космологию, физику, химию, биологию,
антропологию, социологию и т.д. привело к существенному
изменению взгляда на мир. Принцип глобального эволюционизма
означает, что материя, Вселенная, все элементы действительности не
существуют вне развития. Современное естествознание утверждает:
все существующее есть результат развития.
Развитие естествознания и техники подготовили уникальное в
истории науки и общества явление – научно-техническую революцию
(НТР). Первый этап – технический - НТР начался в середине ХХ века
и продолжился до середины 1970-х годов. Основными техническими
направлениями стали атомная энергетика, электронно-вычислительная
и ракетно-космическая техника. Характеристикой второго –
технологического - этапа стали технологии, обещающие превзойти
достижения предыдущего этапа НТР. Следствием, например, стала
невиданная информатизация общества. Новые технологии включают
автоматизированные производства, лазерные технологии, генную
инженерию, нанотехнологии, информационные технологии и др.
11
Глава II. ФИЗИЧЕСКАЯ КАРТИНА МИРА
§6. Представления классической физики
Исходный пункт научной революции Нового времени – переход
к гелиоцентризму. Коперник пытался усовершенствовать теорию
Птолемея. Первое естественно-научное обоснование гелиоцентризма
дал Галилей. Основателем классической физики, наряду с Г.Галилеем,
является И.Ньютон, сформулировавший в 1687 году первую
физическую теорию - классическую механику. Классическое
естествознание заговорило языком математики и эксперимента.
Представления классической физики применимы только к
объектам макроуровня. Первой физической программой объяснения
явлений был атомизм. Сущность различных явлений объяснялась
механическим взаимодействием атомов, которые движутся в
абсолютном пространстве. Атомы элементарны, т.е. неделимы и
непроницаемы, характеризуются наличием неизменной массы.
Пространство и время абсолютны, т.е. не зависят друг от друга и
от материи. Пространство трехмерно, неподвижно, описывается
геометрией Евклида. Законы механики выполняются именно по
отношению к абсолютному пространству (абсолютно неподвижной
системой отсчета). Движение рассматривается как пространственное
перемещение по законам механики. Все физические процессы
сводятся к перемещению атомов под действием силы тяготения,
являющейся дальнодействующей (распространяется мгновенно с
бесконечной скоростью).
Механистический подход был плодотворным. На основе
механики были созданы космология, гидродинамика, теория
упругости, термодинамика и др. разделы физики. Однако оптика и
электромагнетизм полностью механикой не объяснялись. В 1864 году
Дж. Максвелл создал теорию электромагнетизма, которая объединила
оптику и электромагнетизм. Из нее следовало:
-скорость света примерно 3×108м/сек, что совпало с
экспериментом;
-световые и электромагнитные волны имеют единую природу
(это первая теория поля, объединившая магнитные и электрические
взаимодействия);
12
-электромагнитное поле наряду с веществом является
отдельным, волновым видом материи.
Если Ньютон основывался на понятии пустого пространства, то
Максвелл признавал существование заполняющей космическое
пространство неподвижной материальной среды (эфира) как
переносчика электромагнитного поля. Но в принципе они не
противоречили друг другу. Таким образом, монополия классической
механики разрушена не была. Например, считалось, что скорость света
зависит от системы отсчета.
Таким образом, в конце XIX века физика пришла к выводу, что
материя существует в двух видах: вещества и поля. Позже было
открыто, что частицы вещества обладают массой покоя и двигаются со
скоростями меньше скорости света. Волны поля существуют только в
движении (со скоростью света) и массой покоя не обладают.
§7. Представления неклассической физики
В конце XIX века большинство ученых склонялись к выводу,
что физическая картина мира построена и останется в основном
незыблемой. Современная физика исходит из ряда прежних и новых
фундаментальных предпосылок.
Во-первых, так же как и классическая физика признает
объективное существование физического мира.
Во-вторых, утверждает существование трех качественно
различающихся структурных уровня материи: мегамира – мира
космических объектов; макромира – мира эмпирического опыта
человека; микромира – мира молекул, атомов и элементарных частиц.
Классическая физика как раз изучала законы макромира. Изучением
микромира занимается квантовая механика. Мегамир – предмет
астрономии и космологии, которые опираются на законы
релятивистской и квантовой физики.
Картина строения вещества оказалась сложной. Одни
элементарные частицы распадаются на другие, но это не всегда
значит, что первые состоят из вторых.
В-третьих, неклассическая физика отказывается от принципов
механистического детерминизма. Классическое естествознание
абсолютизировало
динамические
закономерности.
Процессы
микромира описываются статистическими закономерностями, а
13
предсказания носят вероятностный характер. Статистические
закономерности возникают как результат взаимодействия большого
числа элементов, характеризуют их поведение в целом. Примеры:
законы квантовой механики или общественные законы. При этом
статистические закономерности, как и динамические, являются
выражением детерминизма.
В-четвертых, новая физика отказывается от субстанциональной
концепции пространства и времени в пользу реляционной.
В-пятых, современное естествознание строится на основе
принципа глобального эволюционизма.
§8. Специальная теория относительности
Специальная теория относительности (СТО) является
результатом распространения принципа относительности на
электромагнитные взаимодействия. Создана трудами Х.Лоренца,
Д.Фицджеральда, Д.Лармора, А.Пуанкаре, Г.Минковского и, прежде
всего, А.Эйнштейна.
Создание Максвеллом теории электромагнитного поля и
экспериментальное доказательство его реальности поставили вопрос о
распространении
принципа
относительности
Галилея
(неизменность законов физики во всех инерциальных системах
отсчета (ИСО) относительно преобразований Галилея) на
электромагнитные явления. Уравнения Максвелла, описывающие
электромагнитное
поле,
нековариантны
(нетождественны)
относительно
преобразований
Галилея.
Х.Лоренц
нашел
преобразования между разными ИСО (1892), относительно которых
уравнения Максвелла ковариантны. Но он не понял их физический
смысл, пытаясь совместить с классическими представлениями о
пространстве и времени.
В
1905
году
появилась
работа
А.Эйнштейна
«К
электродинамике движущихся тел». В ней он сформулировал
основные положения СТО, которая объяснила отрицательный опыт
А.Майкельсона по обнаружению мирового эфира (1887), смысл
преобразований Х.Лоренца, а также новый взгляд на пространство и
время. Эксперимент Майкельсона показал постоянство и
независимость скорости света от движения Земли (относительно, как
предполагалось, неподвижного эфира).
14
Постоянство скорости света в любой СО противоречило
принципу относительности Галилея. Эйнштейн пришел к выводу, что
необходимо сохранить принцип постоянства скорости света и принцип
относительности (законы природы одинаковы во всех ИСО), но
отказаться от
преобразований
Галилея.
Было отвергнуто
представление о существовании эталонной абсолютной системы
отсчета, которую связывали с эфиром. СТО раскрыла физический
смысл скорости света – это предельная скорость материальных
взаимодействий (скорость безмассовых частиц), максимальная
скорость в природе. Для объяснения природы света эфир не нужен.
Если классическая термодинамика наложила запрет на создание
вечного двигателя, то СТО – на превышение скорости света.
Лоренц предположил, что опыт Майкельсона объясняется
уменьшением размеров движущегося в эфире тела в направлении
движения относительно неподвижного эфира. У Эйнштейна эти
преобразования имеют другой смысл: размеры тел характеризуют не
их отношение к абсолютному пространству, а отношение тел друг к
другу (то же относится и ко времени). В СТО размеры тел и
промежутки времени теряют абсолютный характер. Тела
сокращаются, а время замедляется по отношению к неподвижной
системе отсчета, а внутри движущейся системы процессы протекают
обычным образом. Масса тела также становится относительной
величиной, зависящей от его скорости движения.
СТО
показала
зависимость
пространственно-временных
отношений от скорости движения материальных тел. Эйнштейн в 1905
году получил формулы преобразования координат и времени,
релятивистскую формулу сложения скоростей и открыл закон
эквивалентности массы и энергии Е=mc2. Согласно этому закону масса
является относительной величиной: «масса тела есть мера
содержащейся в нем энергии». Формула не означает, что масса может
перейти в энергию. Энергия переходит из одной формы в другие, что
сопровождается изменением массы. Обнаружилась зависимость массы
от скорости – с увеличением скорости масса тела растет. Это две
«стороны одной медали».
Математический аппарат СТО был разработан Г.Минковским
(1908). С математической точки зрения СТО есть геометрия плоского
четырехмерного пространства-времени. Наряду с понятием скорости в
пространстве вводится понятие скорости во времени. При этом
15
суммарная скорость движения объекта во всех четырех измерениях
равна скорости света. При максимально возможной скорости в
пространстве движение тела во времени полностью переходит в
движение тела в пространстве. В таком случае время останавливается.
Поэтому фотоны никогда не стареют (время жизни бесконечно).
СТО подтверждена на обширном материале. Замедление
времени демонстрируют пионы (пи-мезоны), образующиеся при
столкновении космических лучей с атмосферой. Их собственное время
жизни10-8сек. За это время можно пройти с околосветовой скоростью
не больше 3 метров, а они проходят 30 км. Экспериментально
подтверждено, что налетающая с большой скоростью частица по
отношению к покоящейся проявляет себя не как сфера, а как
сплющенный в направлении движения диск.
По Ньютону пространство и время абсолютны. В СТО
абсолютен пространственно-временной континуум – это «арена», на
которой разыгрываются физические процессы, не оказывая обратного
воздействия на нее. Идея субстанциональности пространства и
времени окончательно изгоняется лишь в общей теории
относительности (ОТО) Эйнштейна.
СТО не отрицает возможность существование частиц,
движущихся со сверхсветовыми скоростями (тахионов). Можно
построить непротиворечивую теорию, не нарушающую принцип
причинности (естественная обусловленность всех явлений
объективного мира). Например, в субмикроскопических областях
пространства, где нельзя однозначно разделить прошлое и будущее.
§9. Общая теория относительности
Теория тяготения Ньютона построена на принципе
дальнодействия, предполагающем мгновенное распространение
гравитационных сил. А СТО базируется на представлении, что
никакое воздействие не может превышать скорость света в вакууме
(нужна бесконечная энергия).
ОТО (1916) явилась результатом распространения СТО на
неинерциальные системы отсчета (НСО) - СО, движущиеся с
ускорением. СТО, как и классическая физика, формулирует
физические закономерности только для инерциальных систем
отсчета (ИСО), которые движутся прямолинейно с постоянной
16
скоростью. Именно в них соблюдаются принцип инерции, принцип
относительности
и
законы
механики.
Принцип
инерции,
сформулированный Галилеем, утверждает, что в отсутствие внешних
воздействий тело покоится или движется прямолинейно и равномерно
(принцип Аристотеля: тело движется только под воздействием).
Таким образом, в центре внимания ОТО оказалось понятие
НСО. В НСО не выполнялись ни принцип инерции, ни законы
механики. Задачей физики стало распространение ее законов на НСО.
Существовали две точки зрения на причины инерциальных сил в
ускоренных системах. Ньютон считал, что таким фактором является
абсолютное пространство, Э.Мах – действие общей массы Вселенной.
Эйнштейн усмотрел такой фактор в эквивалентности сил инерции и
сил тяготения (инертной и гравитационной масс). Он пришел к
выводу, что гравитационное поле будет эквивалентно ускоренным
системам только в случае, если пространство-время является
искривленным. С точки зрения ОТО кривизна пространства-времени
определяется полем тяготения. При этом искривление определяется не
только массой вещества, но и энергией, которой оно обладает (энергия
также обладает массой). Гравитация представляет собой искривление
пространства-времени. Поле тяготения является отклонением свойств
пространства-времени от идеального (евклидова).
Эйнштейн пришел к выводу, что реальное гравитационное поле
будет эквивалентно ускоренным СО, если пространство-время
является искривленным, т.е. неевклидовым.
Описание тяготения принципиально меняется. По Ньютону
движение тела есть движение под действием тяготения, по Эйнштейну
свободное движение в искривленном пространстве-времени.
Геодезической (кратчайшей) линией является движение луча света.
Выводы ОТО дискредитировали понятие абсолютного
пространства-времени. ОТО показала зависимость пространственновременных отношений от распределения материальных масс. Материя
влияет на свойства пространства и времени. Например, на Солнце
время течет медленнее, чем на Земле.
Существуют два независимых способа определения массы тела –
согласно второму закону динамики и закону всемирного тяготения.
Они показывают поразительную закономерность – количественное
тождество гравитационной и инертной масс (в ХХ веке точность
опытов достигла10-12). Их равенство означает, что тяготение и инерция
17
есть одно и то же явление. Эйнштейн показал, что нельзя отличить
эффект гравитации от эффекта ускорения. Силы инерции в ускоренной
СО эквивалентны гравитационному полю. Например, наблюдатель в
закрытом лифте не сможет определить, движется ли лифт ускоренно
или внутри лифта действуют силы тяготения.
Уравнения гравитационного поля в ОТО представляют систему
10 уравнений. Они в классическом приближении переходят в закон
Ньютона. ОТО углубляет понятие поля, связывая понятия гравитации
и
метрики
пространства-времени,
допускает
возможность
гравитационных волн.
Первый успех ОТО заключался в объяснении открытой в 1859
году (и непонятной с точки зрения классической теории гравитации)
дополнительной скорости движения перигелия (ближайшей к Солнцу
точки орбиты) Меркурия около 43 секунд за столетие. Оказалось, что
прецессия (вращение) орбиты Меркурия обусловлена искривлением
пространства, вызванного гравитационным полем Солнца.
ОТО предсказала искривление луча света в гравитационном
поле (в ньютоновской теории гравитации этого не должно быть, так
как свет, согласно классическим представлениям, не обладает массой).
Предсказала замедление времени в гравитационном поле или, что то
же самое, красное смещение спектральных линий (СТО, например,
предсказывает замедление времени только для НСО).
Проблемы ОТО: интерпретация тензора энергии-импульса,
существование гравитационной энергии и др. К тому же
математический аппарат ОТО настолько сложен, что почти все задачи,
кроме простейших, оказываются неразрешимыми.
Согласно ОТО Вселенная может выглядеть как микрочастица.
Такие объекты академик М.А.Марков назвал фридмонами.
Кроме того, теория Эйнштейна не отвечает на вопросы: почему
пространство трехмерно, время однонаправлено, максимальная
скорость физических процессов не должна превышать скорости света?
К концу ХХ века создано более 20 альтернативных теорий
гравитации. Некоторые из них, как и ОТО, исходят из
геометрического толкования гравитации, другие – из понятия поля в
плоском гравитационном пространстве-времени, третьи не учитывают
тождества гравитационной и инерционной масс и т.д. Ни одна из этих
теорий не предсказывает отличных от ОТО новых экспериментов, не
обладает эстетической привлекательностью, простотой
и
18
эвристичностью. На основе ОТО создана релятивистская космология,
разработана программа единой теории поля.
§10. Квантовая механика
На рубеже XIX-XX веков в физике появился «каскад» фактов,
для описания которых классической физики оказалось недостаточно.
Они опровергли представления об атомах как неделимых элементах
материи: 1896 год - открытие радиоактивности (спонтанного распада
атома и превращения его в другой элемент) Беккерелем; 1897 год открытие электрона Томпсоном; 1911 год - открытие строения атома
Резерфордом. Рушилась 2.5 тысячи лет существовавшая идея атома
как «кирпичика» материи. «Исчезновение» атома воспринималось как
исчезновение материи и опровержение материализма.
Квантовая механика – теория микрообъектов. День рождения
квантовой физики - 14.12.1900 года. М.Планк сформулировал идею
квантов, согласно которой в процессе излучения и поглощения
энергии она отдается не непрерывно и в любых количествах, а
неделимыми порциями (квантами). Формула квантов энергии: Е= hν,
где Е – энергия кванта, ν - частота излучения, h - постоянная Планка.
Квант – неделимая порция какой-либо величины (энергии, импульса).
Смысл постоянной Планка вытекает из ее размерности. Это квант
действия – предел возможного действия в природе.
В 1905 году Эйнштейн распространил эту формулу на световые
явления. Согласно его теории свет является потоком световых квантов
(фотонов). Он, по сути, сформировал квантовую теорию света.
Прямые доказательства существования фотонов получил в 1922 году
американский ученый А.Комптон при рассеянии рентгеновских лучей
на электронах. Эффект Комптона объяснялся только с
корпускулярных позиций. За теорию квантовой природы света
Эйнштейн в 1922 году получил Нобелевскую премию.
Парадокс: в одних явлениях свет ведет себя как волна (явления
дифракции, интерференции), а в других опытах свет ведет себя как
частица (явление фотоэффекта).
1904 – первая модель атома, предложенная Дж.Томсоном. Он
предположил, что атом представляет собой положительно заряженную
сферу, внутри которой плавают отрицательно заряженные электроны.
Экспериментальная модель атома Резерфорда напоминала солнечную
19
систему: вокруг положительно заряженного ядра, движутся
отрицательно заряженные электроны. Электрический заряд ядра
численно равен порядковому номеру элемента в таблице Менделеева и
сумме зарядов электронов (атом электрически нейтрален). Резерфорд
получил размеры ядра порядка 10-12-10-13см (10-8 см - размер атома).
Но согласно электродинамике Максвелла такой атом неустойчив
- электроны должны излучать энергию и упасть на ядро.
1913 год - Нильс Бор сформулировал квантовую модель атома
(получившей название атома Резерфорда-Бора), которая объясняла
устойчивость атома. Постулаты Бора:
-электрон в атоме может двигаться только по определенным
орбитам, находясь на которых электрон не излучает энергию;
-электрон излучает (поглощает) энергию при переходе с одной
орбиты на другую.
Модель Бора точно описала атом водорода, но не
многоэлектронные атомы (расходилась с экспериментами). Из этого
следовало, что электрон не является механическим шариком. Таким
образом, модель Бора оказалась переходной – ее не хватало для
описания всех микроявлений.
В 1925 году был сформулирован принцип исключения принцип Паули, определяющему закономерности распределения
электронов в атоме по слоям вокруг ядра. В каждом квантовом
состоянии (описываемом квантовыми числами) не может находиться
больше одного фермиона (в данном случае электрона). Поэтому в
первом слое, наиболее близком к ядру, может быть только 2
электрона, втором и третьем – 8, четвертом и пятом – 18, шестом и
седьмом – 32. Элементы, имеющие одинаковое строение внешней
оболочки, принадлежат к одной группе (вертикальному столбцу)
Периодической системы Менделеева. Число химических элементов в
периоде равно числу электронов в слое.
В дальнейшем принцип получил более глубокий физический
смысл. Его называют законом запрета коллапса материи. Например,
этому закону подчиняются, как фермионы, кварки.
1924 год - Л.де Бройль выдвинул (в противовес идее Эйнштейна
о квантовых свойствах света) идею волновых свойств частиц. Любой
частице массой «m» соответствует волна длиной L═h/(mV), где V –
скорость частицы. Получается, что волновые свойства наряду с
корпускулярными присущи всем видам материи. Эта идея получила
20
название принципа корпускулярно-волнового дуализма. В 1927 году
гипотезу де Бройля подтвердили экспериментально К.Дэвисон и
Л.Джермер, обнаружив в опыте дифракцию (рассеяние, огибание
препятствия) электронов. Дифракция – отклонение волн от
прямолинейного движения при прохождении препятствия.
1925 год – В.Гейзенберг вывел уравнение для частиц материи
(матричный вариант квантовой механики). 1926 год – Э.Шредингер
получил уравнение для волн материи (волновой вариант). Позже
выяснилось, что это разные формы одной и той же теории. 1928 год –
П.Дирак получил релятивистское обобщение уравнения Шредингера.
Следствием принципа корпускулярно-волнового дуализма
является
принцип
неопределенности
Гейзенберга
(1927),
раскрывающий
принципиальную
особенность
природы
микрообъектов. Принцип неопределенности: понятия частицы и
волны к квантовым объектам можно применить только отдельно
(корпускулярные и волновые свойства микрообъектов одновременно с
любой
точностью
определить
нельзя).
Например,
нельзя
одновременно с любой точностью измерить координату и импульс
(или длину волны), энергию и время микрообъекта. Их можно
определить только с точностью в пределах соотношения:
∆x×∆p≥h – соотношение для координаты и импульса.
∆x – фундаментальная неопределенность (интервал) координаты
частицы, описываемой волной де Бройля. ∆p – неопределенность
(интервал) импульса частицы. Чем точнее определяется координата,
тем менее точно определяется импульс и наоборот. Действительно: не
может частица сама себя локализовать точнее, чем на половине длины
своей волны.
∆E×∆t≥ h – соотношение для энергии и времени.
∆E – неопределенность (интервал) энергии частицы в данном
состоянии, ∆t – промежуток времени, в течение которого частица
находится в данном состоянии (или время измерения). Энергия
частицы может быть определена тем точнее, чем дольше время
измерения. И, наоборот – в фиксированный момент времени частица
может обладать энергией в пределах ∆E (может быть определена с
такой точностью). Это, например, означает, что в течение времени ∆t
энергия системы может измениться на ∆E≈h/∆t, которая может
материализоваться (в виде виртуальных частиц).
21
Эти формулы отображают корпускулярно-волновую природу
частиц. Принцип неопределенности – закон природы, а не следствие
несовершенства приборов. Принцип выражает основной смысл
квантовой механики, отражает фундаментальную неопределенность
явлений природы. Год 1927 считается датой завершения построения
квантовой механики (нерелятивистской).
Принцип объясняет явления, невозможные с точки зрения
классической механики. Например, туннельный эффект - отличная
от нуля вероятность прохождения квантовым объектом (из-за
волновых свойств) энергетического барьера. Аналогия: способность
волн огибать препятствия. Благодаря эффекту происходит распад
радиоактивных ядер, термоядерные реакции на звездах и др.
Квантовая механика является фундаментом современной
физики, обеспечивает фантастическую точность предсказаний. С ее
помощью построили теорию твердого тела, сверхтекучести,
радиоактивности, эволюции звезд, ядерную физику, электронику и др.
Анализируя принципы квантово-волнового дуализма и
неопределенности Нильс Бор пришел к философскому обобщению,
диалектически сформулированному им в виде принципа
дополнительности: любое явление природы требует для своего
определения взаимоисключающие понятия.
Таким образом, квантовая механика обнаружила вероятностный
характер законов микромира, неустранимый корпускулярно-волновой
дуализм в фундаменте материи.
§11. Элементарные частицы
Термин элементарные частицы первоначально означал
простейшие, далее неделимые. В настоящее время этот термин
применительно к микрообъектам является условным, т.к. нельзя
всегда утверждать, что одни элементарные частицы состоят из других.
Основными характеристиками элементарных частиц являются
масса покоя, электрический заряд, среднее время жизни, спин
(собственный момент импульса). Масса покоя определяется по
отношению к массе покоя электрона.
К году создания квантовой механики (1927) были известны три
элементарные частицы – электрон (1897), протон (1919) и фотон
(1922). В 1932 году открыли нейтрон и была выдвинута идея о том,
22
что ядро атома состоит из протонов и нейтронов. В 1928 году был
предсказан, а в 1936 открыт позитрон. В 1955 открыт антипротон, 1956
– антинейтрон. К середине XX века было открыто 15 элементарных
частиц и античастиц, к концу 1970-х годов – 400. Частицы лишены
индивидуальности, внутри одного типа идентичны (один электрон от
другого неотличим).
Типы частиц по значению в строении материи:
-носители субстрата материи (адроны, лептоны);
-носители структуры материи (переносчики взаимодействий).
Типы элементарных частиц по их отношению к веществу:
-частицы (вещество);
-античастицы (антивещество).
Каждой элементарной частице соответствует античастица. Эту
идею выдвинул Дирак, «духовный отец антиматерии», в 1936 году.
Основные характеристики - масса покоя, спин и время жизни - частиц
и античастиц одинаковы. Они противоположны по знаку заряда
(электрического, магнитного, барионного или лептонного). Примеры.
Позитрон - античастица электрона - имеет противоположный
(положительный) электрический заряд. Антинейтрон имеет
противоположный магнитный и барионный заряд. Антинейтрино
имеет противоположный лептонный заряд. Частицы и античастицы
уничтожают друг друга.
Частицы, свойства которых полностью тождественны свойствам
их античастиц, называются истинно-нейтральными частицами. К ним
относятся фотон и нейтральные мезоны π0 и К0.
Типы элементарных частиц по массе покоя:
-безмассовые частицы, движущиеся с предельной для
материальных частиц скоростью (света): фотоны, гравитоны, глюоны;
-«легкие» частицы: лептоны (частицы имеющие массу покоя,
но не участвующие в сильных взаимодействиях - электрон, нейтрино,
мюоны и т.д. - всего 12 штук);
-промежуточные частицы - мезоны (1-1000 масс электрона me);
-тяжелые частицы – барионы: гипероны (нестабильные частицы,
самая тяжелая - Z-бозон 200 000 me или 87 mp) и нуклоны (протон,
нейтрон примерно 2000 me).
Название «легкие частицы» условно, т.к. некоторые лептоны
имеют массу больше массы протона. Существование гравитона
(переносчик гравитационного взаимодействия) пока не доказано. В
23
2002 году экспериментально обнаружено, что нейтрино обладает
очень малой массой (меньше 0.28 эВ).
По строению. Мезоны и барионы относятся к классу адронов,
состоящих из кварков. Барионы - из трех кварков, мезоны – двух.
Кварки в свободном состоянии не наблюдаются. Кварки и лептоны,
похоже, не состоят из других частиц. Кварки до масштаба 10-16 см
ведут себя как точечные образования, похожи на лептоны.
Кварковая материя на сегодняшний день рассматривается как
конечная
квантованная
(корпускулярная)
материя.
Кварки
распадаются на другие кварки и частицы.
По электрическому заряду. Все частицы обладают
положительным, отрицательным или нейтральным электрическим
зарядом. Заряд определяется по отношению к наименьшему заряду
свободной частицы – это заряд электрона, который численно
считается равным 1.
В 1964 году Гелл-Ман и Дж.Цвейг выдвинули гипотезу
существования частиц с дробным зарядом (-1/3 или +2/3) – кварков, из
которых состоят частицы, участвующие в сильных взаимодействиях. В
1969 году эта гипотеза подтвердилась в экспериментах по
рассеиванию электронов на протонах.
По времени жизни частицы делятся на стабильные
(долгоживущие),
нестабильные
(быстрораспадающиеся)
и
виртуальные (короткоживущие). Стабильные - фотон, нейтрино,
электрон, протон. Нейтрон стабилен внутри ядра, но вне его
распадается в течение 15 минут. Нестабильные существуют 10-10-1024
сек. Самые нестабильные называются резонансами. Они живут 10-2210-24 сек. Виртуальные частицы существуют10-24 сек.
По спину. Спины элементарных частиц имеют следующие
величины: 0, 1/2, 1, 3/2, 2. Элементарных частиц со спином более 2
возможно не существует. Частицы с целым спином называются
бозоны, с полуцелым - фермионы. Протон, нейтрон, электрон имеют
спин 1/2, фотон 1, гравитон 2. Частицы с нулевым спином (например,
некоторые ядра) выглядят одинаково при любом угле поворота.
Частица со спином 1/2 - через 2 оборота, со спином 1 принимает тот
же вид после полного оборота, со спином 2 - через полоборота.
Фермионы подчиняются принципу Паули (в системе фермионов
не может быть двух частиц в одном состоянии).
24
По участию в сильном взаимодействии. Участники в сильном
взаимодействии называются адронами (они состоят из кварков).
Адронов существует сотни, большинство – резонансы. Известные
адроны: протон и нейтрон. Лептоны не участвуют в сильном
взаимодействии.
Частицы-переносчики
взаимодействий:
гравитационного - гравитоны, электромагнитного - фотоны, сильного
– глюоны (их масса покоя равна нулю), слабого – W,Z-бозоны (массы
покоя равны 87 mp). Гравитоны и фотоны не участвуют в сильном
взаимодействии.
§12. Вакуум
Уравнение Шредингера не является релятивистским. Областью
применения квантовой механики является движение микрочастиц в
условиях сил, действующих мгновенно (принцип дальнодействия), т.е.
квантовая механика не применима для скоростей, близких к скорости
света, она пренебрегает законами релятивисткой физики (СТО).
Именно
поэтому
квантовую
механику
называют
также
нерелятивистской квантовой механикой. Она также неприменима для
описания процессов рождения и уничтожения частиц.
Теория, объединяющая представления квантовой механики и
СТО, называется квантовой теорией поля (КТП). КТП является ядром
современной физики – общим подходом ко всем фундаментальным
взаимодействиям. Центральная идея КТП ̶ принцип квантововолнового дуализма, т.е. признание существования волновых свойств
у всех частиц и квантовых свойств у всех полей.
Под полем в КТП понимается квантовое поле ̶ система частиц
(квантов), заполняющих пространство. Энергия реальной частицы
никогда не равна нулю, т.к. формула энергии кванта: Е=hʋ(n+1/2).
Соотношение
неопределенностей
радикально
изменило
представление о пустоте, получившей название физического вакуума.
В течение времени ∆t энергия системы может измениться на ∆E≈h/∆t,
которая может материализоваться в виде виртуальных частиц. Спустя
время ∆t они «исчезают». Виртуальные частицы – короткоживущие
(порядка 10-24 сек) частицы, возникающие в вакууме вследствие
кратковременного нарушения закона сохранения энергии.
Вакуум ̶ низшее энергетическое состояние поля, в котором
отсутствуют реальные частицы. Действительно, вакуум в среднем
25
пуст, его средняя энергия равна нулю, но согласно соотношению
неопределенности (для энергии) квантовые эффекты могут в течение
короткого времени нарушать закон сохранения энергии. Временно в
вакууме могут возникать из ничего и снова превращаться в ничто
частицы, называемые виртуальными (частицы-призраки). Происходят
спонтанные (самопроизвольные) процессы рождения и уничтожения
(аннигиляции) частиц, т.к. виртуальные частицы возникают не по
одному, а парами ̶ частицы и античастицы.
Таким образом, вакуум ̶ это не абсолютная пустота, а вид
материи, существующий наряду с веществом и полем. Он наполнен
флуктуациями всевозможных полей. Его реальность доказывается
экспериментами. Реальные частицы окружены облаком виртуальных
частиц. Например, влиянием вакуума объясняется отклонение уровней
энергии электрона в атоме (лэмбовский сдвиг). Это влияние
подтверждается также экспериментами по взаимодействию реальных
частиц. Можно сказать, что взаимодействие реальных частиц
осуществляется через испускание и поглощение виртуальных частиц.
Чем выше энергия реальных частиц, тем чаще при их взаимодействии
окружающие их виртуальные частицы превращаются в реальные.
В теории электрослабого взаимодействия Вайнберга-Салама
вакуум рассматривается как коллективные возбуждения скалярного
поля бозонов Хиггса (частиц «Бога»). Именно эти частицы
физического вакуума принимают участие в формировании
качественных и колличественных свойств реальных частиц. Такие
свойства частиц, как спин, масса, заряд, проявляются во
взаимодействии с определенным вакуумным состоянием вследствие
перестройки вакуума. Хиггсовские бозоны представляют собой
массивные элементарные частицы с нулевым спином. В 2012 году
существование бозонов Хиггса было подтверждено экспериментально.
В 2013 году Питер Хиггс совместно с Франсуа Энглером за их
теоретическое открытие получили Нобелевскую премию.
Вакуум в физической картине мира предстает как прародитель
нашего мира. Существует фоновое пространство, заполненное
вакуумом, где происходят возмущения, дающие начало вселенным.
26
§13. Фундаментальные взаимодействия
Фундаментальные взаимодействия (силы) - это наиболее
глубокие физические структурные связи Вселенной, природы. Все
действующие в природе силы можно свести к небольшому числу
взаимодействий. В начале XX века их было известно два гравитационное и электромагнитное. В 1930-х годах было обнаружено
еще два - слабое и сильное. Цель физики - объединить все
взаимодействия в одно и тем самым создать общую физическую
теорию материи (единую теорию элементарных частиц).
В настоящее время считается, что силы между частицами
возникают в результате обмена частицами-переносчиками.
Относительную «силу» взаимодействий определяют числовые
значения их констант. В безразмерных величинах константа сильного
взаимодействия αs≈1. Константа электромагнитного взаимодействия
(постоянная тонкой структуры) αe≈1/137. Константа слабого
взаимодействия αw≈10-5. Константа гравитационного взаимодействия
αg≈10-39. Оно является самым слабым. Взаимодействия также
характеризуются временем действия. В этом плане слабым, т.е. самым
медленным является слабое взаимодействие.
Роль этих постоянных в формировании структуры и свойств
Вселенной настолько велика, что их не случайно включают в число
мировых постоянных – наиболее фундаментальных физических
параметров, характеризующих свойства Вселенной.
Гравитационные взаимодействия – самое универсальное, т.к.
есть между любыми материальными объектами. Все частицы создают
гравитационное поле. Это самое слабое взаимодействие, не
учитываемое при описании элементарных частиц. Оно в 1039 раз
меньше силы взаимодействия электрических зарядов. Например,
гипотетический «гравитационный атом» водорода был бы больше
Вселенной. Однако на сверхмалых расстояниях порядка планковской
величины Lp═10-33 см и при сверхбольших энергиях гравитация
становится сравнимой по силе с другими взаимодействиями.
Силы гравитации – силы притяжения, но в настоящее время
рассматривается предположение существования гравитационного
отталкивания, действовавшего в первые мгновения Вселенной.
Квантование
гравитации предполагает существование
гравитона – нейтральной частицы с нулевой массой покоя и спином 2.
27
Это квант флуктуирующего пространства-времени, сочетающий
свойства элементарной частицы и волны искривления, бегущей по
четырехмерному миру. Гравитоны экспериментально обнаружить
невозможно, т.к. в микромире гравитация ничтожна. Квантовые
эффекты в гравитационном поле проявляют себя при плотности
вещества порядка 1093 г/см3 (сингулярность, черная дыра), когда
гигантские массы вещества сжимаются до незначительных размеров.
Квантовую теорию гравитации (КТГ) пока создать не удалось.
КТГ должна объединить квантовую механику с общей ОТО.
Оказалось, что стандартным образом они несовместимы. ОТО –
принципиально неквантовая теория, т.к. при квантовании гравитации
исчезают пространство и время - они теряют смысл внутри квантов
пространства и времени. А гравитация в ОТО отождествляется с
искривленным пространством-временем. Таким образом, теряет смысл
и гравитация. Но на рубеже XX-XXI веков на базе теории суперструн
появились возможности синтеза квантовой механики и ОТО.
Электромагнитное взаимодействие (ЭМВ) – взаимодействие,
характеризующее притяжение и отталкивание электрических и
«магнитных» зарядов. Является дальнодействующим, в 1000 раз
слабее сильного, осуществляется в течение10-19 – 10-21 сек. Носителем
является фотон – квант электромагнитного поля.
ЭМВ определяет структуру атомов и молекул, отвечает за
большинство физических и химических процессов (силу упругости,
силу трения, оптические явления, химические превращения и др.).
Квантовая теория ЭМВ или квантовая электродинамика (КЭД) была
создана в середине XX века. Эта теория описывает взаимодействия
электромагнитного поля и заряженных частиц, а также заряженных
частиц между собой. КЭД удовлетворяет основным принципам
квантовой механики и СТО – является их синтезом.
Если в классической теории электроны предстают в виде
твердых точечных шариков, то в КЭД электрон окружен собственным
электромагнитным
полем,
рассматривающимся
как
облако
виртуальных фотонов. Фотоны очень быстро возникают и исчезают, а
электроны движутся в пространстве по не вполне определенным
траекториям (влияние вакуума). Если в классической теории электрон
движется по определенной траектории, то в КТП строго можно
определить только начальную и конечную точки пути.
28
Взаимодействие зарядов происходит через обмен виртуальными
фотонами. Взаимодействие между электромагнитным полем и зарядом
осуществляется через виртуальные фотоны, рождаемые частицей.
Фотон, в свою очередь, превращается в виртуальную электронпозитронную пару, которая аннигилирует (уничтожается) с
образованием нового фотона. В результате заряженная частица
окружена облаком виртуальных фотонов, электронов и позитронов.
Таким образом, КЭД предсказывает рождение в сильных
электромагнитных и гравитационных полях виртуальных пар частицаантичастица. КЭД проверена на большом числе опытов. Результаты
проверок совпадают с предсказаниями с огромной точностью.
В 1965 году за создание КЭД С.Томонага, Р.Фейнман,
Дж.Швингер получили Нобелевскую премию. КЭД стала моделью для
квантового описания других взаимодействий.
Слабое взаимодействие – фундаментальное взаимодействие,
отвечающее за распад частиц («распадное» взаимодействие), точнее –
за превращение кварков и лептонов друг в друга. Особенность
взаимодействия в том, что оно не создает тянущих или толкающих
усилий в смысле механики. Оно лишь превращает одни частицы в
другие. В ядре постоянно происходят превращения нуклонов протонов в нейтроны и наоборот за счет обмена между кварками
квантами слабого взаимодействия. Возможно превращение в ядре
нейтрона в протон с последующим распадом ядра. Без слабого
взаимодействия невозможны были бы термоядерные реакции на
звездах, т.к. является их составной частью (образование дейтерия),
вызывает взрывы сверхновых звезд.
Слабое взаимодействие сильнее гравитационного по мощи, но
слабее по интенсивности (скорости протекания), т.к. имеет самый
маленький радиус действия – порядка 10-16 см, т.е. действует
медленнее всех. Время действия порядка 10-10 сек. Этим, например,
объясняется колоссальная проникающая способность нейтрино.
Каждую секунду через площадку 1 см2 на Земле проходит без
столкновений около 1010 нейтрино, испущенных Солнцем.
Теория взаимодействия начала разрабатываться в 1930-60-е
годы Э.Ферми совместно с другими физиками, связана с открытием
радиоактивности. При распаде частиц казалось, что нарушается закон
сохранения энергии – «исчезала» энергия. Паули предположил, что
выделяется частица с высокой проникающей способностью. Позже ее
29
назвали «нейтрино». Нейтрино - участники только слабых
взаимодействий (помимо гравитационных).
Законченная теория была создана в конце 1960-х годов
С.Вайнбергом и А.Саламом в рамках теории электрослабого
взаимодействия.
Выяснилось,
что
для
описания
слабого
взаимодействия необходимы три силовых поля с тремя переносчиками
взаимодействия – тяжелыми бозонами со спином 1: W+, W-, Z0
(нейтральный бозон означает, что слабое взаимодействие может не
сопровождаться переносом электрического заряда). Новая теория, в
отличие от прежней, обосновывала необходимость Z0-бозона. В 1983
году все эти бозоны были экспериментально обнаружены.
Сильные взаимодействия характеризуют притяжение и
отталкивание между кварками. Они, например, происходят на уровне
атомных ядер и представляют собой взаимное притяжение и
отталкивание их составных частей. Участвуют только тяжелые
частицы - адроны. Главная функция в ядре – создание прочной связи
между нуклонами (протонами и нейтронами). Радиус действия
порядка10-13 см, время действия – 10-19–10-21 сек. За пределами ядра
взаимодействие отсутствует. Размеры ядра 10-12-10-13 см. Плотность
ядра 1014 г/см3. Ядра элементов в конце таблицы Менделеева
неустойчивы, так как их радиус велик.
Теория создана по типу теории слабого взаимодействия.
Взаимодействие представляется как результат обмена глюонами,
которые обеспечивают связь кварков (попарно или тройками) в
адроны. Из теории следует, что должно быть 8 типов глюонов, как и
фотоны имеющих массу покоя=0 и спин=1.
Квантовая теория сильного взаимодействия называется
квантовой хромодинамикой (КХД). Сильное взаимодействие здесь
трактуется как стремление сохранить «белый цвет» адронов при
изменении цвета их частей - кварков. КХД объясняет, почему кварки
не существуют в свободном состоянии. С ростом расстояния между
кварками силы притяжения возрастают до бесконечности.
Экспериментальный статус теории достаточно прочен.
Сильные взаимодействия – источник огромной энергии. Пример
– термоядерные реакции в звездах. Принцип сильного взаимодействия
использован в ядерном оружии.
30
§14. Единая теория поля
Теория электрослабого взаимодействия. В конце 1960-х годов
электромагнитные и слабые взаимодействия, разные по своей природе,
были объединены в одно - электрослабое взаимодействие. Теория
была создана независимо С.Вайнбергом и А.Саламом. В 1979 году они
совместно с Глэшоу получили Нобелевскую премию.
Дело в том, что слабое взаимодействие более сложно. Вопервых, в слабом взаимодействии могут участвовать частицы
различных типов. Во-вторых, электромагнитное взаимодействие не
превращает частицы в другие частицы.
В теории Вайнберга–Салама фотоны и W+,W-,Z0-бозоны имеют
общее происхождение. Слабое взаимодействие столь мало потому, что
бозоны очень массивны (87 mp). При энергиях больше 102 Гэв разница
между фотонами и бозонами стирается. Экспериментальное
обнаружение в 1983 году этих бозонов доказало, что
электромагнитное и слабое взаимодействия являются компонентами
единого электрослабого взаимодействия.
Теория Великого объединения (ТВО) объединяет сильное,
слабое и электромагнитное взаимодействия. При энергиях более 1014
Гэв или на расстояниях менее 10-29 см эти три взаимодействия имеют
общую природу (описываются общей константой). Кварки и лептоны
здесь практически неразличимы, т.е. в их взаимопревращениях
нарушается закон сохранения барионного заряда. Существуют разные
варианты ТВО, они имеют следующие общие черты:
-кварки и лептоны являются подлинно элементарными
(неделимыми) – шесть кварков, шесть лептонов и их античастицы
(всего 24 частиц) являются кирпичиками вещества;
-открытие новых типов полей, превращающих кварки в лептоны,
т.е.
предсказываются
новые
переносчики
взаимодействия
(сверхтяжелые промежуточные X- и Y–бозоны, обладающие массой
1014 mp, цветом и электрическими зарядами 1/3 и 1/4);
-предсказывается нестабильность протона (время жизни
примерно 1033 лет), из которого вытекает нестабильность вещества;
-предсказывается существование магнитного монополя –
стабильной и очень тяжелой частицы массой 108 масс протона.
31
Их обнаружение будет великими физическими экспериментами.
Кажущийся парадокс – протон содержит внутри себя Х-бозон,
который тяжелее - объясняется принципом неопределенности.
Единая
теория
поля
(ЕТП,
суперсимметрия,
супергравитация, квантовая теория гравитации) объединяет все
четыре взаимодействия. Теория показывает, что объединение
взаимодействий происходит при энергиях больше 1019 Гэв. Теория
должна обеспечить переход (симметрию) от носителей субстрата
материи (лептонов и кварков) к носителям структуры материи
(переносчикам взаимодействий) и наоборот. Гравитон здесь не
единственный
переносчик
гравитационного
взаимодействия.
Гравитино – частицы со спином 3/2. Переносчики других
взаимодействий также сопровождаются новыми частицамипереносчиками – фотино, вино, зино, глюино.
Идея суперсимметрии в природе: постулируется единая природа
всех частиц. Это кульминация теоретической физики. С созданием
супергравитации можно получить ответы на следующие вопросы:
-почему пространство трехмерно, а время одномерно;
-сколько существует фундаментальных взаимодействий;
-сколько существует элементарных частиц;
-почему мировые константы имеют именно такую величину;
-от чего зависят константы (например, заряд электрона).
ЕТП не завершена, есть сомнения в ее получении в рамках
квантовой теории поля (КТП или стандартной модели). Главная
трудность – отсутствие связи гравитации с физикой элементарных
частиц, квантовой теории микрогравитации. Новая нестандартная
модель (теория суперструн) предполагает обоснование физики
геометрией, возрождает идею многомерности пространства.
Теория
суперструн
(М-теория,
многомерная
супергравитация) пришла на смену стандартной модели на рубеже
XX-XXI веков. Первоначально в ее основе лежала идея о том, что
элементарные частицы должны рассматриваться не как точечные
образования, а как одномерные вибрирующие струны. КТП здесь есть
приближение теории суперструн.
Струны-гравитоны либо свернуты в петли, либо являются
незамкнутыми отрезками. Они не имеют толщины, длина порядка
планковской величины 10-33 см, имеют огромное натяжение порядка
1039 тонн. Колебаниями и взаимодействиями струн можно объяснить
32
природу элементарных частиц, их взаимодействий, природу
пространства и времени. Характеристики элементарных частиц
объясняются резонансными колебаниями струн (модами). Масса
элементарной частицы определяется энергией колебания струны.
Взаимодействие элементарных частиц представляются как распады и
слияния струн. Пространство и время существуют, когда все
множество струн упорядочено (колеблются согласовано).
Из теории суперструн следуют важные выводы:
-число элементарных частиц бесконечно как бесконечно число
мод колебаний;
-возможно
существование
новых
фундаментальных
взаимодействий.
Построить последовательную теорию супергравитации в
пространстве трех измерений не получается. Наименьшая
размерность, при которой удается справиться с трудностями – 9.
Теория предполагает дополнительные пространственные измерения минимум шесть. Они находятся в свернутом состоянии в каждой точке
пространства в пределах 10-33 см. Из всех взаимодействий
дополнительные измерения доступны только гравитации. Так как
струны очень малы, они колеблятся во всех измерениях, поэтому
фундаментальные свойства элементарных частиц определяют
геометрию дополнительных измерений.
Позднее струны стали считаться не только одномерными - их
обозначают как р-брана. Струны (р-браны) – элементарные
«частицы» р-измерений в теории суперструн. 1-брана называется
струной, 2-брана называется мембраной и т.д. Каждому из таких
объектов могут соответствовать собственные физические законы.
Наше пространство также может рассматриваться как 3-брана
замкнутой на себя Вселенной. Более того, возможна 0-брана, которая
предшествовала существованию пространства и времени.
Теория предсказывает, что некоторые свернутые измерения
могут иметь размеры в пределах долей миллиметра. Планируются
эксперименты по их обнаружению. Суть – измерение силы тяготения в
этих пределах (если для нашего пространства сила тяготения обратно
пропорциональна квадрату расстояния, то для струн может быть
другая степень). Теория предсказывает струны космических размеров,
которые возникли на начальном этапе развития Вселенной. Теория
предсказывает частицы с электрическими зарядами 1/5, 1/11, 1/13 и
33
1/53. Предсказывается непостоянство некоторых физических констант.
Недавно эксперименты показали, что постоянная тонкой структуры
(количественная характеристика электромагнитного взаимодействия)
в прошлом была заметна меньше.
Математическое описание шестимерных пространств сложно
(десятки тысяч уравнений). Уравнения сложны даже для
формулировки. Их решения приблизительны.
Теория
суперструн
далеко
опередила
возможности
эксперимента. Таким образом, создание единой теории материи
зависит от экспериментов – от создания мощных ускорителей, от
изучения космических лучей.
Новая физика. Не исключены другие варианты развития
физики. Например, это зависит от открытия субкварковых частиц,
неизвестных видов материи и энергии, неподтверждения теории
суперструн и т.д.
Глава III. АСТРОНОМИЧЕСКАЯ КАРТИНА МИРА
§15. Представления классической астрономии
Длительное время астрономия развивалась как наука о
Солнечной
системе.
Основоположником
внегалактической
астрономии
считается
английский
астроном
Ф.В.Гершель,
пытавшийся разобраться в структуре Вселенной, но до середины XIX
века основные усилия астрономов были направлены на определение
положения звезд и составление звездных каталогов.
До
классической
физики
астрономы
использовали
геоцентрическую систему Птолемея, в которой все космические
объекты двигались по круговым орбитам. Переворот в астрономии
связан с польским ученым Н.Коперником. Первые идеи
гелиоцентрической системы он высказал в работах 1505-1507 гг.,
полностью систему изложил в 1543 году. Математическое уточнение
гелиоцентрической системы было осуществлено немецким ученым
И.Кеплером в работах 1609 и 1619 гг. Согласно его законам планеты
движутся по эллиптическим, а не круговым орбитам. Дальнейшее
математическое и физическое обоснование гелиоцентрическая система
получила в трудах Г.Галилея и И.Ньютона.
34
Большим шагом вперед в развитии астрономии стала
космогоническая теория И.Канта, отказавшегося от идеи
божественного первотолчка. Центральной идеей стал принцип
развития Вселенной. Первоначальным состоянием природы немецкий
философ считал созданный Богом хаос, в котором пребывало
первичное вещество. Затем под действием механических сил
притяжения и отталкивания образовались небесные тела.
Даже в первой половине XX века в астрономии господствовал
взгляд на Вселенную как на нечто стационарное, неизменное.
Вселенная есть результат определенной эволюции, но ее историческим
развитием можно пренебречь. Вселенная единственна, вечна во
времени и бесконечна в пространстве. Представляет собой
механическую систему множества миров, подобных Солнечной
системе (Д.Бруно). Эволюция космических объектов протекает на
фоне абсолютных пространства и времени.
Теоретической основой классической астрономии была
классическая механика. Ее триумфом стало предсказание, а затем и
открытие восьмой планеты – Нептуна. Вместе с тем повышение
точности расчетов привело к открытию необъяснимого эффекта. В
1859 году наблюдения показали больше теоретически предсказанной
скорости перемещения перигелия Меркурия.
§16. Представления современной астрономии
В середине ХХ века в астрономии произошла научная
революция, изменившая способы астрономического познания и
астрономическую картину мира. В основе новой астрономии лежит
открытие
нестационарности
Вселенной,
приведшее
к
фундаментальному пересмотру представлений о мегамире. Произошел
отказ от идеи единственности Вселенной, хотя эмпирического
подтверждения представления о множественности вселенных пока
нет. Создание квантовой механики и ОТО обеспечило
переориентацию астрономии с изучения в основном механических
движений космических объектов на изучение их физических
характеристик (теории эволюции звезд, звездных систем и Вселенной
в целом). Произошел отказ от классических представлений
пространства и времени. Современная астрономия опирается на
релятивистскую концепцию пространственно-временного континуума.
35
Радикально изменились методы наблюдения. В классической
астрономии существовал один узкий канал получения информации –
видимый свет (оптические телескопы). Новая астрономия стала
всеволновой. Обнаружены новые типы космических объектов,
основное излучение которых сосредоточено в неоптических
диапазонах электромагнитных волн (радио-, инфракрасный,
ультрафиолетовый, рентгеновский и гамма-диапазоны). Например,
рентгеновские телескопы предоставляют информацию о черных
дырах, гамма-телескопы – о нейтронных звездах. Появилась
нейтринная астрономия, изучающая ранние (дореликтовые) этапы
эволюции Вселенной; гравитационная астрономия, изучающая
структуру Вселенной. С 1962 года планеты и их спутники
исследуются космическими аппаратами. Даже в оптической
астрономии проектируются мощные телескопы с системой зеркал
равноценных телескопам со сплошным зеркалом 100 м.
Но механика Ньютона не потеряла значения - расчеты движения
планет и искусственных спутников осуществляются на ее базе.
§17. Эволюция звезд
Наблюдаемая Вселенная – это мир галактик. Галактики –
гигантские звездные системы, содержащие 107-1013 звезд. Они имеют
размеры от нескольких десятков тысяч до 18 млн световых лет. Что
они состоят не только из пыли, но и звезд стало ясно в 1920-е годы.
Ближайшая галактика – Туманность Андромеды - находится от нас на
расстоянии 1.5 млн световых лет. Расстояние до самой дальней
наблюдаемой галактики – свыше 10 млрд световых лет.
Наша галактика – Млечный путь – диск с утолщением в центре
диаметром 100 тысяч световых лет, толщиной – в 10-15 раз меньше.
Состоит примерно из 200 млрд звезд. Ее возраст около 13 млрд лет.
Центр галактики движется относительно реликтового фона со
скоростью 500 км/сек. Солнце расположено на расстоянии примерно в
30 тысячах световых лет от центра галактики и вращается вокруг него
со скоростью 200 км/сек. Млечный путь и Андромеда сближаются со
скоростью 100 км/сек, что приведет к их слиянию.
Основные характеристики звезд. В звездах сосредоточено
около 98% видимого вещества Вселенной. Сосчитаны и занесены в
каталоги все звезды ярче 11-й звездной величины. Их около миллиона.
36
Всего наблюдению доступно около 2 млрд звезд. Общее количество
звезд во Вселенной оценивается в 1022.
Самая близкая звезда Проксима Центавра находится на
расстоянии 4.24 световых года, не наблюдается с территории России и
не видна невооруженным взглядом. Ее масса – 1/7 солнечной.
Основные характеристики звезд - радиус R, светимость L,
поверхностная температура (цвет) T, масса, химический состав.
Максимальная масса звезд, по некоторым оценкам, 100-150
солнечных, минимальная – 0.05 (масса планеты Юпитер – 0.0001).
Самые маленькие звезды имеют размер около 10 км, самые большие
могут превосходить Солнце в 1000 раз. Самые горячие звезды имеют
поверхностную температуру порядка 50 тысяч градусов, самые
холодные – около 3000 (Солнце – 6000). Светимость может достигать
несколько миллионов солнечных.
Для нормальной звезды (в которой протекают термоядерные
реакции) справедлива формула: L═4πR²σT4, где σ – постоянная
Стефана-Больцмана.
Эмпирическая
зависимость
светимости
(абсолютной звездной величины) от температуры (цвета или
спектрального класса), установленная в начале ХХ века, получила
название диаграммы Герцшпрунга-Рессела. В нормальном состоянии,
когда происходит реакция горения водорода (на диаграмме
Герцшпрунга-Рессела
звезда
находится
на
главной
последовательности), звезда существует 90% своей жизни.
Возникновение
звезд
происходит
из
газово-пылевых
туманностей под действием двух сил – гравитации, стремящейся
сжать звезду, и силы давления газа, стремящейся расширить звезду.
Период стабильности звезды означает, что эти силы равны.
В протозвезде гравитация растет и разогревает газ. Например,
энергии гравитационного сжатия для поддержания светимости Солнца
хватило бы на 30 млн лет. Когда температура достигает 8 млн
градусов – включаются термоядерные реакции синтеза из водорода
гелия He3, а при 10-15 млн - He4. Сжатие прекращается под действием
светового давления и звездообразование завершается.
Юпитер излучает в 2.5 раза больше энергии, чем получает ее от
Солнца. Это значит, что Юпитер разогревается за счет
гравитационного сжатия, т.е. является протозвездой (он состоит из
водорода и гелия в той же пропорции, что и Солнце). Но звездой не
станет из-за недостаточной массы.
37
Эволюция звезд зависит от их массы и химического состава. Чем
больше масса – тем короче жизнь. Теоретически рассчитанное время
жизни самых массивных звезд – 3.5 млн лет, Солнца – 10 млрд лет.
Звезды 1-го поколения состоят из 75% водорода и 25% гелия. В ходе
быстрой эволюции массивных звезд 1-го поколения образовались
более тяжелые химические элементы (в основном до железа), которые
были выброшены в межзвездное пространство. Звезды последующих
поколений формировались из вещества, содержащего 3-4% тяжелых
элементов. Считается, что в настоящее время межзвездный газ состоит
примерно из 67% водорода, 28% гелия и 5% остальных элементов.
85% тяжелых элементов возникло примерно 9-10 млрд лет назад.
Солнце – звезда, скорее всего, 3-го поколения.
Звезды, по сути, термоядерные бомбы. Основателем теории
термоядерных источников звездной энергии является немецкий физик
Г.Бете (1939). Термоядерные реакции – ядерные реакции синтеза
химических элементов при высоких температурах. Термоядерные
реакции в звездах – это, прежде всего, реакции столкновения ядер
легких элементов с протонами. Чем выше температура в недрах звезд,
тем более тяжелые ядра могут участвовать в термоядерных реакциях, а
значит, образовываться ядра более тяжелых химических элементов.
Чтобы протон мог проникнуть в ядро (присоединиться к нему) ему
нужно приблизиться на расстояние 10-13 см - тогда проявится сильное
взаимодействие. Для этого положительно заряженный протон должен
преодолеть силы электростатического отталкивания (кулоновский
барьер). Он должен обладать энергией около 1000 кэВ. Таких
протонов в звездах нет. Но благодаря туннельному эффекту
вероятность преодолеть кулоновский барьер имеют даже протоны с
энергией 20 кэВ. Эта вероятность очень мала (десятки миллиардов лет
на протон), но протонов много, поэтому реакция идет с достаточной
интенсивностью. Например, для поддержания светимости Солнца на
настоящем уровне, водорода в нем хватило бы на 100 млрд лет.
Первый этап. Основная термоядерная реакция, являющаяся
источником энергии нормальных звезд (включая Солнце),
находящихся на стадии стационарного горения – превращение
четырех ядер водорода (протонов) в одно ядро гелия (α-частицы).
Выделяемая при этом энергия составляет 26.2 МэВ. Водородный цикл
включается при температуре около 14 млн градусов. Вероятность
одновременного соединения четырех протонов в ядро гелия ничтожно
38
мала, поэтому водородный цикл может включать несколько
разновидностей протон-протонных последовательностей.
Второй этап. После выгорания водорода в центре образуется
гелиевое ядро, которое начинает коллапсировать - катастрофически
быстро сжиматься (гравитационный коллапс). Температура ядра
резко повышается и оболочка звезды разбухает. При этом температура
внешних слоев падает и звезда переходит в стадию красного гиганта,
постепенно теряющего верхнюю оболочку. Радиус красного гиганта
превышает в 10 раз радиус Солнца, а светимость - в 104 раз.
При массе звезды больше 0.5 массы Солнца температуры в
центре звезды хватит для того, чтобы началась реакция горения гелия синтез углерода. Три ядра гелия образуют ядро углерода. Постепенно
гелиевое ядро преобразуется в углеродное.
Через 5 млрд лет на стадии красного гиганта радиус Солнца
увеличится раз в 200 и сравнится с расстоянием от Земли до Солнца и
тогда Земля вместе с Венерой и Меркурием испарятся. Каждые 1 млрд
лет светимость Солнца увеличивается на 10%, поэтому уже через 1.1
млрд лет все океаны на Земле испарятся. На стадии горения гелия
Солнце просуществует 100 млн лет и превратится из красного гиганта
в белого карлика, состоящего из углерода.
На третьем этапе (если температура в ядре достигнет 100 млн
градусов после гравитационного сжатия) начинает гореть углерод –
синтезируется кислород. Углерод, взаимодействуя с ядром гелия, дает
кислород. С горением углерода происходит резкое повышение
температуры на один-два порядка (до нескольких миллиардов
градусов) и звезда превращается в красный сверхгигант.
Сверхгиганты могут достигать 100 масс Солнца, радиуса – 1000
радиусов Солнца, светимости – 106 солнечных. Звезды с массой
больше 10 солнечных масс сразу превращаются в сверхгиганты.
Образование новых элементов зависит от массы звезды.
Кислород синтезируется в кремний, кремний – в железо. При 3-5 млрд
градусах идут реакции образования химических элементов железного
пика – титана, ванадия, хрома, железа, кобальта и др. Внутренним
строением звезда в этом случае напоминает луковицу, каждый слой
которой наполнен каким-либо одним элементом. Наиболее
представлено железо. Но все термоядерные реакции с выделением
энергии кончаются на образовании ядер железа. Возникновение
элементов железного пика означает смерть звезды. Термоядерные
39
реакции прекращаются, звезда резко сжимается и взрывается
(вспышка сверхновой). Во время взрыва сверхновой образуются самые
тяжелые химические элементы.
Разлетающаяся оболочка звезды бомбардируется вылетевшими
из ядра звезды нейтронами, создавая набор элементов тяжелее железа.
Включаются ядерные реакции с нейтронами (нейтронный захват),
для которых электростатический барьер значения не имеет.
Перегруженное нейтронами ядро оказывается нестабильным, нейтрон
превращается в протон (бета-распад) и ядро превращается в изотоп
следующего химического элемента. Образуются элементы с массовым
числом больше 60. Нейтронный захват объясняет происхождение
богатых нейтронами тяжелых элементов (урана, тория и др.) с
массовым числом до 270.
По приблизительным оценкам, звезды с массой более 100 масс
Солнца нестабильны. В них давление излучения может превысить
силу гравитационного сжатия, в результате чего должен произойти
колоссальный взрыв звезды (гиперновая), во много раз превышающий
энергию сверхновых звезд.
§18. Конечная стадия эволюции звезд
На стадии красного гиганта звезда теряет вещество - происходит
сброс оболочки,
разлетающейся со скоростью 20-40 км/сек и
наблюдаемой как планетарная туманность. Планетарные
туманности обогащают межзвездную среду химическими элементами.
Постепенно красный гигант исчерпывает термоядерные источники
энергии и теряет массу. Дальнейшая судьба зависит от массы ядра.
Белый карлик (кристаллические звезды). Им становится звезда с
массой ядра менее предела Чандрасекара - 1.4 массы Солнца (предел
массы белого карлика). Это стационарное, равновесное состояние. В
нем не происходит ядерных реакций. Белый карлик постепенно
остывает до желтого, красного и черного карлика. Это гигантский
кристалл из атомных ядер, имеющий радиус, примерно равный
радиусу Земли, и очень большую плотность 108-1010 г/см³ (плотность
тел, состоящих из атомов не превышает 20 г/см3). Радиус карлика
лежит в пределах 0.02-0.005 радиуса Солнца - около 1000 км.
Белый карлик появляется, когда красный гигант сбрасывает свои
поверхностные слои, образующие планетарную туманность. Этот
40
процесс не носит взрывного характера. Вещество белого карлика
находится в состоянии кристаллической решетки из ядер и
вырожденного электронного газа, давление которого, обусловленное
квантовым принципом Паули, сдерживает гравитацию.
Белый карлик может быть гелиевым, углеродно-кислородным,
магниевым и даже железным – зависит от первоначальной массы
звезды и того, сколько массы она потеряла в процессе эволюции.
Если белый карлик входит в двойную систему, то на него может
перетекать вещество звезды-спутницы. Когда масса вещества
достигает критического уровня, вспыхивают термоядерные реакции.
Возникает вспышка новой или сверхновой звезды. Вспышка новой
звезды не приводит к изменению структуры звезды (участвуют только
поверхностные слои). За несколько суток блеск звезды увеличивается
в тысячи и миллионы раз. Выделяется энергия порядка 1045-1046 эрг.
Эволюция малых звезд. Если масса звезды находится в пределах
0.08-0.26 массы Солнца, то протонные реакции заканчиваются на
образовании He3. Звезды с массой 0.05-0.08 массы Солнца, минуя
стадию термоядерных реакций (температура внутри них не достигает
8 млн градусов), сразу переходят в состояние водородных
вырожденных красных карликов.
Нейтронная звезда - конечный результат эволюции звезд с
массой более 8-10 масс Солнца. При массе ядра более 1.4 массы
Солнца давление вырожденного электронного газа белого карлика не в
состоянии сдержать силу тяготения. Начинается быстрый
гравитационный коллапс ядра звезды. Если масса ядра не более 3 масс
Солнца (предел Оппенгеймера-Волкова), то давление вещества
останавливает коллапс из-за нейтронизации ядра – вырожденные
электроны поглощаются (вдавливаются) ядрами химических
элементов. После резкого коллапса ядра оболочка падает на него и
возникает ударная волна. При этом за время около 1 секунды
выделяется громадная энергия, которая разбрасывает оболочку звезды.
Происходит взрыв значительной части звезды - вспышка сверхновой с
образованием газовой туманности. В ядре происходит всплеск
рождения нейтрино, добавляющих мощи ударной волне.
Вспышка сверхновой – это величайшая катастрофа. Во время
вспышки выделяется столько энергии, сколько выделяет вся галактика
или сколько Солнце излучило за 5 млрд лет своего существования.
Выделяют сверхновые 1-го и 2-го типов. Сверхновая 1-го типа
41
образуется при взрыве белого карлика в двойной системе, когда на
него перетекает вещество соседней звезды и его масса достигнет 1.4
массы Солнца. Сверхновые 1-го типа выделяют практически
одинаковое количество энергии – 1051 эрг. Поэтому их используют для
определения расстояния до галактик, в которых произошла вспышка.
Масса оболочки, сброшенной сверхновой 2-го типа может быть
больше в несколько раз массы Солнца.
Возможность
существования
нейтронных
звезд
была
предсказана российским физиком Л.Ландау в 1932 году вслед за
открытием нейтрона. Типичная нейтронная звезда имеет радиус 10-18
км и огромную плотность, соизмеримую с плотностью атомного ядра
1014–1015 г/см³. Образно ее можно назвать гигантским атомным ядром.
Но есть и различия – в атомном ядре гравитация не существенна.
Ядро нейтронной звезды состоит из вырожденной сверхтекучей
нейтронной жидкости. Верхний слой ядра – твердая кора из железа (с
примесью хрома, никеля, кобальта и др.) и вырожденных электронов.
После своего образования нейтронная звезда имеет очень высокую
температуру – порядка миллиарда градусов, но быстро остывает.
Характерная особенность нейтронных звезд – высокая скорость
вращения (может быть близкой к скорости света) и гигантская
напряженность магнитного поля (до десятков миллиардов эрстед).
Магнитная ось нейтронной звезды, как правило, не совпадает с осью
вращения, поэтому нейтронные звезды были обнаружены в 1967 году
в виде импульсных источников электромагнитного излучения –
пульсаров, называемых маяками Вселенной.
Черная дыра (термин Джона Уилера, 1968) – звезда с
непреодолимой силой тяготения. Если масса ядра умирающей звезды
больше 3 масс Солнца, то уже ничто не может предотвратить
гравитационный коллапс – звезда как бы взрывается внутрь,
превращаясь в черную дыру (сингулярное состояние вещества).
Первая модель черной дыры построена в 1916 году на основе
ОТО К.Шварцшильдом. Черная дыра – это область пространствавремени, в которой поле тяготения настолько сильно, что скорость ее
преодоления (вторая космическая скорость) должна превышать
скорость света. Для этого масса должна сжаться до объема меньше
гравитационного радиуса r=2GМ/c². Для Солнца, например, r≈3 км, а
для Земли – 0.8 см. Сфера гравитационного радиуса называется
42
сферой Шварцшильда, поверхность сферы называется горизонтом
событий – область, за которую ничего не выходит.
Черные дыры, подобно элементарным частицам, обладают
массой, зарядом и моментом количества движения. Между черными
дырами и элементарными частицами могут существовать глубинные
связи, возможно взаимопревращения. Суперструнная теория
представляет их как две фазы одной струнной материи.
Наблюдается не черная дыра, а выпадение на нее вещества
(аккреция). При этом кандидат в черную дыру не должен иметь
признаки нейтронной звезды (пульсара – нейтронной звезды, в
которой ось вращения не совпадает с осью магнитного поля).
Черные дыры теряют массу за счет испарения с ее поверхности
элементарных частиц, рождаемых сильным полем тяготения.
Продолжительность жизни черной дыры пропорциональна кубу
радиуса. Например, дыра в 10 масс Солнца испарится за 1069 лет.
Эйнштейн и Фейнман не верили в реальность черных дыр.
Некоторые неэйнштейновские теории гравитации отрицают
искривление пространства-времени и существовании черных дыр.
§19. Эволюция Вселенной
Началом современной космологии считается создание в 1917
году Эйнштейном стационарной релятивистской космологической
модели. В ее основу легла ОТО, хотя статическое пространство не
является ее решением. Эйнштейн отказался от постулатов
абсолютности и бесконечности пространства и времени, однако
сохранил принцип стационарности, неизменности Вселенной во
времени и ее конечности в пространстве. Вселенная безгранична, но
замкнута в пространстве. Сигнал, пущенный наблюдателем, вернется к
нему с противоположной стороны Вселенной. Время бесконечно, но
не влияет на свойства Вселенной.
В 1922 году российский математик и физик А.Фридман
выступил с критикой этой теории. Согласно Фридману пространство и
время взаимосвязаны и зависят от материи. Он выдвинул принцип
нестационарности Вселенной, согласно которому пространство не
может быть постоянным, его кривизна меняется во времени. Из ОТО
следовало два варианта развития Вселенной в зависимости от
плотности вещества. Неограниченное расширение, если средняя
43
плотность
Вселенной
меньше
критической;
периодическое
расширение и сжатие, если плотность равна или больше критической.
Эйнштейн не сразу, но согласился с критикой.
Решение Фридмана, продолженное в прошлое, дает состояние
бесконечной плотности. В 1927 году Ж.Леметр предложил это
состояние сингулярности как исходное состояние Вселенной. Он
предположил, что первоначальный радиус Вселенной был 10-12 см
(близким к размерам электрона), а плотность 1096 г/см3. В 1965 году
С.Хокинг математически обосновал необходимость состояния
сингулярности в любой модели расширяющейся Вселенной.
В 1929 году Э.Хаббл обнаружил эффект красного смещения
излучения галактик, что подтверждало их разбегание. Это открытие
убедительно доказывало теорию расширяющейся Вселенной.
В 1948-1956 годы начался новый этап в развитии космологии.
Дж.Гамовым была предложена модель горячей Вселенной (гипотеза
Большого взрыва). Момент начала времени Вселенной называется
Большим взрывом. В этой теории Вселенная возникла в результате
взрыва из первоначального состояния сингулярности.
Цель заключалась в том, чтобы прогнозируя ядерные реакции в
начале космологического расширения, получить наблюдаемое в
настоящее время соотношение химических элементов. Когда
температуры были очень высоки, рождались разные частицы. По мере
расширения температура падала и тяжелые частицы «вымирали», а
синтез элементов ограничивался легкими элементами. Через три
минуты расширения вещество состояло из 75% водорода и 25% гелия.
Теория предсказала существование в нашу эпоху фонового
реликтового излучения Вселенной – остатка энергии Большого
взрыва. На ранней стадии расширения почти вся плотность массы
Вселенной определялась реликтовым излучением (плотность вещества
меняется пропорционально R3, а излучения - пропорционально R4, т.к.
у квантов меняется еще и энергия). Экспериментальным
подтверждением модели горячей Вселенной явилось обнаружение
реликтового излучения в 1965 году. Это фотоны и нейтрино,
остывшие до 2.7 К (400-500 фотонов на см3).
Но теория не отвечала на вопросы о причинах Большого взрыва,
асимметрии вещества и антивещества и др. В 1980 году группа
отечественных и зарубежных физиков (А.Старобинский, А.Гут,
А.Линде и др.) предложила модель инфляционной Вселенной. Здесь
44
причины Большого Взрыва объяснялись состоянием космического
вакуума. Модель принципиально не противоречит теории Большого
взрыва, а дополняет ее. Она описывает Вселенную с момента10-43 сек в
три этапа: сингулярность, инфляция, Большой взрыв.
Начальным состоянием Вселенной является вакуум, состояние
квантовой гравитации, описываемое величинами «планковского
масштаба»: энергии 1019 ГэВ, длины 10-50 см, времени 10-43 сек,
плотности 1096 г/см3. Возникшая в 10-43 сек сингулярность есть
квантовая флуктуация вакуума. Радиус Вселенной в этот момент
составлял 10-50 см. В возбужденном вакууме (состояние ложного
вакуума) в процессе рождения и уничтожения виртуальных частиц
возникла огромная сила космического отталкивания, которая привела
к ультрарелятивистскому процессу раздувания «пузырей» - зародышей
вселенных. Виртуальные частицы не подчиняются запрету Паули: в
одной точке фазового пространства их может находиться бесконечно
много – это источник неисчерпаемой энергии.
Раздувание, значительно превосходившее скорость света,
назвали инфляцией. На фазе инфляции в промежутке 10-43-10-34
секунды
сформировались
пространственно-временные
характеристики нашей Вселенной. Примерно за 10-34 сек Вселенная
раздулась в громадный шар с размерами намного больше
Метагалактики (наблюдаемой области Вселенной). Метагалактика
имеет размер 1028 см. Но это не противоречит СТО, так как раздувание
не связано с установлением причинно-следственных связей в веществе
и излучении, которые к тому времени еще не образовались. В
настоящее время Вселенная раздулась до размеров 101 000 000 см. Масса
Вселенной составляет 1058 г.
Сила, образовавшая Вселенную, ̶ суперсила (супергравитация) ̶
объединяла четыре фундаментальных взаимодействия. Возможно, это
суперструнная сила. После фазы инфляции она распалась.
Образование фундаментальных частиц – кварков и лептонов –
единовременно связано с образованием типов их взаимодействий.
Эволюция Вселенной есть переход от более высокой к более низкой
симметрии (асимметрии), чередование порядка и хаоса.
На фазе инфляции Вселенная была пустой и холодной.
Примерно через 10-34 сек после начала расширения ложный вакуум изза неустойчивости распался, и силы космического отталкивания
иссякли и началась эволюция горячей Вселенной. Огромные запасы
45
энергии вакуума высвободились в виде 1019 ГэВ (Большой взрыв),
мгновенно нагрев Вселенную до температуры Т=1032 К. В настоящее
время остатки этого излучения наблюдаются как реликтовое - его
изучение позволяет заглянуть в прошлое до 10-30 сек от начала.
Благодаря энергии Большого взрыва энергия частиц достигала
1019 ГэВ. В этот период вещество существовало в виде виртуальноплазменной смеси вещества и антивещества - кварков и лептонов.
Затем Вселенная стала остывать, проходя фазовые переходы, где
последовательно обособлялись гравитационное, сильное, слабое и
электромагнитное взаимодействия. Таким образом, Большой взрыв
характеризует Вселенную не в момент перехода из сингулярного
состояния, а в момент перехода из холодного в горячее состояние.
Когда фаза инфляции закончилась Большим взрывом (Т=1032 К,
19
10 ГэВ, t═10-34 сек), произошел первый фазовый переход: от
суперсилы отделилась гравитация. Вещество и антивещество
аннигилировали (уничтожались) и одновременно распадались. Однако
распад частиц и античастиц шел по-разному. Образовалось
преобладание (антисимметрия) вещества над антивеществом - на 1
млрд. античастиц было 1 млрд. плюс одна частица вещества.
Избыточное вещество стало материалом нашей Вселенной. Вселенная
представляла кварк-лептонную плазму. При той температуре лептоны
и кварки были неразличимы, свободно превращаясь друг в друга. Роль
частицы-посредника выполнял Х-бозон массой 1014 mp.
Новый фазовый переход (Т=1015 К, 1014 ГэВ, 10-12 сек):
отделилось сильное взаимодействие. Х-бозон распался на глюоны и
безмассовый бозон – переносчик электрослабого взаимодействия.
Обрели массу покоя кварки и лептоны, которые стали различимыми.
Они являются реликтами этой эпохи.
Следующий фазовый переход произошел при Т=1013 К, 103 ГэВ,
-5
10 сек – разделилось электрослабое взаимодействие. Электрослабый
бозон разделился на фотон и переносчиков слабого взаимодействия.
Образовались фундаментальные взаимодействия и элементарные
частицы в их современной форме. Кварки объединились в адроны и
начался первичный нуклеосинтез – синтез ядер гелия.
46
§20. Будущее Вселенной
В космологических моделях Фридмана предполагалось, что
судьба Вселенной определяется борьбой двух противоположных сил –
тяготения и кинетической энергии, полученной веществом в момент
Большого взрыва. Критическая плотность вещества во Вселенной:
ρ═3H²/8πG≈2×10-29 г/см³, где H – постоянная Хаббла, G –
гравитационная постоянная. Если плотность вещества Вселенной
больше или равна критической, то Вселенная периодически будет
расширяться-сжиматься. Исходя из общей массы Вселенной (1058 г.)
полный цикл равен 100 млрд. лет. При переходе от одного цикла к
другому могут изменяться физические константы. Рост энтропии
требует уменьшения продолжительности циклов.
Если Вселенная будет бесконечно расширяться, через 1015 лет
планеты начнут отрываться от звезд, звезды от галактик. Через 1019 лет
галактики распадутся, а звезды погибнут - превратятся в черные дыры,
нейтронные звезды и черные карлики.
Если протон распадается, то через 1033 лет Вселенная будет
состоять из черных дыр, нейтрино и фотонов. Через 1096 лет черные
дыры испарятся и останутся фотоны ничтожной плотности и энергии
(смерть Вселенной, возврат в физический вакуум).
Если протон не распадается, то примерно через 101500 лет звезды,
не превратившиеся в черные дыры, остывая, станут нейтронными, а
26
через 1010 лет они превратятся в черные дыры, которые за 1067 лет
испарятся и останутся фотоны и нейтрино почти нулевой плотности.
Открытое в 1998 году ускоренное расширение Вселенной
подтвердило открытую космологическую модель. Наблюдения
сверхновых звезд показали, что только первые 6-8 млрд лет Вселенная
расширялась с замедлением. Таким образом, модели Фридмана
описывают состояние Вселенной лишь первые 6-8 млрд лет.
Данные 2003 года показывают, что возраст Вселенной 13.7 млрд
лет и пространство плоское. Примерно такой же возраст самых старых
минералов, упавших на Землю из Космоса. Кривизна пространства,
определяемая как отношение средней плотности вещества к
критической, близка к 1, что характеризует плоскую Вселенную.
Антигравитация. Ученые пришли к выводу, что ускоренное
расширение осуществляется за счет силы всемирного отталкивания –
антигравитации, получившей название темной энергии, которая
47
начала проявлять себя 5-7 млрд лет назад. В конце концов, действие
темной энергии разорвет Вселенную, вещество которой разлетится со
скоростью превышающей скорость света.
Источником антигравитации является космический вакуум. Вопервых, плотность космического вакуума одинакова в пространстве,
постоянна во времени и не зависит от расширения Вселенной. Вовторых, обладая положительной плотностью, космический вакуум
обладает отрицательным давлением (этим свойством не обладают
другие виды материи). Поэтому космический вакуум вызывает
отталкивание. В-третьих, плотность космического вакуума не только
не равна нулю, но и, похоже, превосходит плотность энергии всех
остальных форм материи вместе взятых. По подсчетам на вакуум
приходится около 67% энергии Вселенной, на темную материю (не
взаимодействует с обычным веществом) – 29%, на обычное вещество
(барионное, т.е. состоящее из протонов и нейтронов) – 4%, на
излучение (фотоны, нейтрино, возможно, гравитоны и др.) – 0,03%. Вчетвертых, космический вакуум не излучает электромагнитных волн
(поэтому его и называют темной энергией). В-пятых, согласно
теоретическим представлениям, он способен влиять на все остальные
формы материи, а также на пространство и время, но при этом сам не
испытывает их влияния. В частности, влияя на гравитацию, вакуум
сам не поддается гравитационному воздействию.
По-видимому, на начальных этапах эволюции Вселенной
плотность вещества превышала плотность вакуума, поэтому тяготение
преобладало над отталкиванием, а расширение осуществлялось с
замедлением. Если не проявятся какие-то неизвестные силы, будущее
Вселенной будет определяться свойствами вакуума. Предполагается,
что космический и физический вакуум (из квантовой механики)
совпадают. Наука только начинает разбираться в свойствах вакуума.
Глава IV. ХИМИЧЕСКАЯ КАРТИНА МИРА
§21. Представления классической химии
Классическая химия – это химия периода XVII-XIX веков, т.е.
до
создания
квантово-механической
теории
атома.
Она
характеризуется становлением атомной концепции вещества и
накоплением эмпирического материала об атомах.
48
Возникновение химии подготовила алхимия, доминировавшая в
средневековой культуре IX-XVI веков. Здесь химию и алхимию
невозможно разделить. Алхимия – донаучный этап развития химии,
учение о превращении («трансмутации») веществ друг в друга.
До середины XVIII века алхимия оставалась элементом
европейской культуры. В алхимическом опыте предполагалось
участие мистических сил, средством обращения к которым было
заклинание. Главными задачами алхимии были: управление духами,
воскрешение из мертвого, создание искусственного одушевленного
существа (гомункула), поиск «философского камня». Предполагалось,
что «философский камень» ускорял «созревание» золота, исцелял
болезни, давал бессмертие. В практической области средневековая
химия имела несомненные достижения: открытие способов получения
серной, соляной, азотной кислот, селитры, сплавов ртути с металлами,
некоторых лекарственных веществ, создание химической посуды и др.
Алхимики были убеждены, что любое вещество можно
превратить в любое другое вещество. Но постепенно вызревало
представление о пределе взаимопревращения веществ, определяемом
их составом. В основе научной химии лежит философская концепция
атомизма, которая была сформулирована в античной философии
Демокритом и Эпикуром. В средние века понятие атома исчезло из
употребления, т.к. атомизм церковью был запрещен и преследовался.
Суть атомизма заключается в понимании вещества как совокупности
мельчайших, неделимых частиц – атомов. Все многообразие мира есть
результат взаимодействия атомов.
На протяжении классического периода в химии происходила
борьба атомизма с концепцией континуальной организации материи, в
частности – с картезианской концепцией вихревой структуры материи.
Например, в первой половине XIX века многие ученые отзывались об
атомизме как «пустом и бессмысленном учении». Даже в конце XIX
века некоторые ученые не верили в существование атомов. Так,
физикохимик В.Оствальд считал, что понятие материи должно быть
заменено понятием энергии.
В возрождении атомизма важную роль сыграл французский
ученый XVII века П.Гассенди, критиковавший теорию вихрей
Декарта. Первой идеей теоретической химии стало утверждение о том,
что свойства вещества зависят от входящих в его состав химических
элементов. Конкретное приложение атомизма к химии осуществил
49
английский ученый XVII века Р.Бойль, внедривший идеи атомизма в
химию и обосновавший необходимость химического эксперимента.
Он исходил из представления, что характеристики и превращения
химических веществ могут быть объяснены размерами, формами и
расположением атомов. В 1661 году он ввел понятия «химический
элемент» и «химический анализ». Химический элемент, по Бойлю, это простое тело, входящее в состав вещества и определяющее его
свойства. Но Бойль не привел ни одного примера, т.к. химики еще не
знали ни одного химического элемента. Фосфор открыли в 1669 году,
кобальт – 1735, никель – 1751, водород – 1766, фтор – 1771, азот –
1772, хлор и марганец – 1774, кислород - одновременно в Швеции,
Англии и Франции в 1772-1776 годах.
Центральная проблема химии XVIII века – горение. В этот
период господствовала теория флогистона. Флогистон (огненная
материя) – гипотетическая невесомая субстанция, выделяющаяся в
процессе горения. Открытия М.Ломоносова и А.Лавуазье отвергли эту
теорию. В 1748 году Ломоносов сформулировал закон сохранения
масс, отрицавший существование невесомой субстанции. Опираясь на
открытие кислорода, Лавуазье разработал принципиально новую
теорию химии - кислородную теорию горения. Он осуществил
научную революцию в химии, положив начало систематическому
использованию весов. Лавуазье рационализировал химию, поставив ее
на количественный путь. Он объяснил причину разнообразия
химических явлений: она заключается в количественном различии
химических элементов и их соединений.
В 1803 году Дж.Дальтон – отец химического атомизма –
утверждал, что элементарные частицы однородных тел подобны. Он
составил первую таблицу атомных масс водорода, азота, углерода,
серы и фосфора. Он также сформулировал один из фундаментальных
законов химии. Закон кратных отношений утверждает, что массы
двух химических элементов в любых соединениях относятся друг к
другу как целые числа. Дальтон пришел к выводу, что атомы не могут
превращаться друг в друга. Начался период активного поиска
химических элементов.
Победу атомизм одержал в 1860 году на 1-м Международном
конгрессе химиков. С начала 1860-х годов росло убеждение в
существовании некоторой общей закономерности, охватывающей все
элементы, которых к концу 1860-х годов стало известно около 60. Ее
50
обнаружение стало триумфом атомной концепции. Эта научная
революция в химии связана с российским ученым Д.И.Менделеевым,
который в 1869 году открыл периодическую систему химических
элементов. Но окончательно атомизм победил благодаря квантовой
механике в XX веке, доказавшей существование атома.
Менделеев сформулировал следующий закон: свойства
элементов находятся в периодической зависимости от величины их
атомных весов. Позже было установлено: не от атомного веса, а от
заряда ядра атома, т.к. атомный вес является средним арифметическим
от масс изотопов. Изотопы – химические элементы, имеющие
одинаковый заряд ядра, но отличающиеся по массе. Физический
смысл химического элемента до Менделеева был непонятным. Он
доказал, что признаком элемента является не экспериментально
установленная неразложимость вещества, а место в периодической
системе. Химический элемент – это вид атомов (совокупность
изотопов) с одинаковым зарядом ядра.
Это было гениальное эмпирическое обобщение фактов.
Менделеев стал основоположником системного подхода в химии,
который позволил не только систематизировать, но и объяснить
накопленный к концу XIX века эмпирический материал, и стал
прочной основой теоретической химии. Если раньше элементы
открывались случайно, то Менделеев не только уточнил атомные веса
ряда элементов, но и предсказал существование новых. В 1810 году
было известно 18 химических элемента. Во времена Менделеева было
известно 62 элемента. В 2010 году доказано существование 117
элементов. Вопрос о полном списке элементов остается открытым.
Следует отметить существование разных вариантов таблицы
Менделеева, а также альтернативных ей систем элементов.
Атомная концепция поставила проблему химической связи.
Длительное время различные теории опирались на идею тяготения
между атомами, объясняя закономерности соединения химических
элементов. Например, П.С. Лаплас видел в этом причины всех
молекулярных явлений: химические реакции, капиллярные явления,
феномен кристаллизации, твердое, жидкое и газообразное состояние
вещества. Он считал, что есть только «видоизменение всемирного
тяготения». Как подтверждение ньютоновского подхода было
воспринято открытие в 1780-е годы Ш.О. Кулоном закона притяжения
отрицательных и положительных электрических зарядов. С
51
появлением электродинамики в 1864 году возникли представления,
что в основе молекулярных связей и самого атома лежат
электромагнитные взаимодействия, но природа химизма была
объяснена лишь квантовой механикой в XX веке.
§22. Представления современной химии
Закон Менделеева имеет значение не только для химии.
Периодическая система наталкивала на мысль, что атомы не являются
неделимыми. Решение этого вопроса выходило за рамки химии.
Фундаментальными основами современной химии стали
квантовая механика, атомная физика, термодинамика, статистическая
физика, физическая кинетика. Физическая химия, в ХХ веке
изменившая парадигму химии, объяснила химические явления. Что
такое атом химиков больше не волнует. Триумфами квантовой химии
стал вывод Периодической системы из квантово-механической модели
атома и физическая классификация типов химической связи.
Квантовая химия стала базисом теоретической химии. Язык химии –
это
макроскопическое
выражение
квантово-механических
взаимодействий. Основной метод квантовой химии состоит в
применении уравнения Шредингера для атомов и молекул.
Однако химия не сводится к физике, поскольку результаты
химического взаимодействия могут быть вычислены с помощью
физики лишь приближенно, т. к. физические расчеты сложны. При
конструировании сложных химических соединений химики исходят из
контекста своих нефизических соображений – моделей, полученных
не из физики. С помощью химического языка понятий и формул,
разработанного до квантовой механики и задающих специфику химии,
эти проблемы решаются намного проще и эффективнее.
Основные объекты химии – атом и молекула. Атом –
наименьшая частица химического элемента, являющаяся носителем
его свойств. Молекула – наименьшая частица вещества, обладающая
его основными химическими свойствами. Физические методы
открыли физическую природу химизма. С открытием строения атома
стала ясна причина химической связи атомов друг с другом. Между
атомами действуют электростатические силы – силы взаимодействия
электрических зарядов электронов и ядер атомов.
52
Химическая связь – связь между атомами, приводящая к
образованию молекул. Она обусловлена обменным взаимодействием
электронов атомов. В ее образовании главную роль играют валентные
электроны, расположенные на внешней электронной оболочке атома.
Различают три основных типа химической связи. Ковалентная связь
осуществляется за счет образования электронных пар, в равной мере
принадлежащих обоим атомам. Ионная связь представляет собой
электростатическое притяжение между ионами, образованными
смещением электронной пары к одному из атомов. Металлическая
связь образуется между положительными ионами в кристаллах
металлов, осуществляемая за счет притяжения электронов, свободно
перемещающихся по кристаллу.
23. Предмет химии
Исторически химия возникла для получения веществ,
необходимых для жизнедеятельности человека. Основная задача
современной химии двойная: исследование генезиса свойств веществ
и разработка на этой основе методов получения веществ с заданными
свойствами и «умных» веществ. По словам Д.И.Менделеева, химия в
значительной мере сама создает объект изучения.
Химия – наука, изучающая свойства и превращения веществ,
сопровождающиеся изменением их состава и строения.
98.6% массы физически доступного слоя Земли составляют
восемь химических элементов: 47% - кислород, 27.5% - кремний, 8.8%
- алюминий, 4.6% - железо, 3.6% - кальций, 2.6% - натрий, 2.5% калий, 2.1% - магний. Практически все элементы проявляются в
земных условиях в составе химических соединений. Их известно
около 8 000 000. Из них около 300 000 неорганических соединений, а
абсолютное большинство (96%) – органических.
Распространенность кремния (97% массы земной коры
составляют силикаты) предполагает, что силикаты (из которых можно
делать материалы с самыми различными свойствами) должны стать
основным сырьем производства. Металлы и керамика на 90%
составляют материальную основу жизни человечества.
Развитие химии в XX веке привело к ее дифференциации и
возникновению междисциплинарных направлений - космохимия,
геохимия, нефтехимия, агрохимия, биохимия и др. Основные разделы
53
современной химии: неорганическая, органическая, физическая,
аналитическая и химия высокомолекулярных соединений.
Основными задачами неорганической химии являются: строение
соединений, установление связи строения со свойствами и
реакционной способностью, синтез и глубокая очистка веществ.
Неорганические соединения применяются как конструкционные
материалы, как удобрение и кормовые добавки, ядерное и ракетное
топливо, фармацевтические материалы.
Органическая химия – наиболее крупный раздел. Огромное
значение имеет химия полимеров, красителей, лекарственных,
отравляющих веществ, средств защиты растений и др. Вершиной
органической химии является синтез активных генов.
Аналитическая химия – наука об определении химического
состава. До середины XIX века была основным разделом химии.
Современные методы связаны с получением заданных материалов.
Новый качественный сдвиг в химии связан с появлением
эволюционной химии. Предметом изучения эволюционной химии
является химогенез. С точки зрения эволюционной химии на
протяжении длительного времени происходил отбор химических
элементов по тем свойствам, которые давали преимущество при
переходе на более высокий уровень организации материи –
биологический. Химическая эволюция обеспечила переход от
химогенеза к биогенезу. Понимание механизмов химогенеза важно для
прояснения проблемы происхождения жизни.
Современная химия перешла в качественно новое состояние – ее
предметная
область
существенно
расширилась
благодаря
междисциплинарности исследований, где тесно переплетаются методы
физики, химии и биологии. Особенности предмета современной химии
проявляются в следующем:
-технологические процессы с комбинацией физических,
химических
и
биологических
трансформаций
вещества
(биотехнология, фармтехнология, спиновая химия, компьютерные
технологии, технология переработки радиоактивных отходов и др.);
-технологические процессы в наносфере с гетерогенными
поверхностными и дисперсными системами (нанохимия);
-технологические процессы, связанные с использованием не
ковалентных, а межмолекулярных связей (супрамолекулярная химия).
54
В настоящее время разрабатываются так называемые «умные
материалы». Например, лекарственные материалы с адресной
доставкой в живых системах. Новый класс умных материалов
представляют супрамолекулярные системы, которые в отличие от
систем с ковалентными связями обладают способностью
самовостанавливаться после разрыва.
§24. Концептуальные этапы развития химии
В развитии химии выделяют несколько концептуальных этапов:
-учение о составе (возникло в 1660-е годы);
-структурная химия (1800-е годы);
-учение о химических процессах (1950-е годы);
-эволюционная химия (1970-е годы).
Первоначально свойства веществ связывались с их составом. В
этом суть учения о составе. В основе учения лежала философская
концепция атомизма. Основоположником учения о составе является
Р.Бойль. Он считал, что характеристики и превращения веществ могут
быть объяснены атомами.
Важную роль в становлении научной химии оказало понятие
молекулы, которое сформулировал Гассенди. Учение о составе было
дополнено концепцией структурной химии, которая устанавливает
связь свойств веществ не только с составом, но и со структурой
молекул. Структурная концепция позволила превратить химию из
преимущественно аналитической в синтетическую науку.
В 1811 году А.Авогадро предложил атомно-молекулярную
теорию строения вещества. Молекула – это устойчивая совокупность
атомов, способная к самостоятельному существованию. Именно
молекулы определяют свойства вещества, которую вместо атома
следует рассматривать в качестве единицы вещества.
В настоящее время понятие молекулы претерпело изменение. В
категорию молекулы вошли макромолекулы - монокристаллы и
полимеры. Полимеры – гигантские органические молекулы.
Макромолекулы наиболее сложных веществ – высших белков и
нуклеиновых кислот – построены из сотен тысяч атомов.
На основе атомно-молекулярной теории Авогадро была
разработана теория химического строения, согласно которой свойства
вещества определяются порядком связей атомов в молекулах. В 1857
55
году немецкий химик Ф.Кекуле создал теорию валентности установил связь между структурой химического вещества и
валентностью атомов. Валентность – способность атомов одного
химического элемента соединяться с определенным количеством
атомов другого химического элемента. Все элементы Кекуле разделил
на одно-, двух- и трехвалентные. Он также обосновал
четырехвалентность углерода.
В 1861 А.М.Бутлеров углубил понимание молекулярного уровня
организации материи. На основе учения о валентности он разработал
теорию химического строения. Бутлеров утверждал, что по строению
молекул можно предвидеть свойства химического вещества. Он сделал
вывод, что различие веществ, обладающих одинаковым составом,
можно объяснить только различием их химического строения. Таким
образом, в конце XIX века химики пришли к выводу, что свойства
веществ зависят не только от состава (элементов), но и от структуры
(способа взаимодействия элементов).
Изомеры – молекулы одинакового состава, но различной
структуры. Их химические свойства обычно значительно различаются.
Пример: графит и алмаз, состоящие из атомов углерода.
Химия XX века продолжила изучение свойств веществ в
зависимости от их состава и структуры. Новым направлением стало
учение о химических процессах. Открытия в этой области позволили
создавать химические соединения с заранее заданными свойствами.
Способность к взаимодействию различных химических реагентов
определяется не только их молекулярной структурой, но и условиями
протекания химических реакций. К ним относятся термодинамические
(температура, давление и др.) и кинетические факторы (все, что
связано с переносом веществ). Химическая кинетика (учение о
скоростях химических реакций) выявляет механизм реакции –
элементарные стадии процесса (качественные изменения) и
количественные его описания. Скорость реакции зависит от природы
реагирующих веществ и от условий протекания. Важнейшими из них
являются концентрация, температура и катализатор.
Катализатор – вещество изменяющее скорость реакции, но не
участвующее в ней.
Основателем органической химии является шведский химик
Й.Я.Берцелиус. Он установил, что основой химии живого организма
являются каталитические химические реакции - биокатализ. В XIX
56
веке Луи Пастер предложил идею ведущей роли ферментов в
процессах
жизнедеятельности.
Подавляющее
большинство
химических реакций трудноуправляемые. Методы управления
химическими процессами подразделяются на термодинамические и
кинетические, при которых ведущую роль играют те или иные
катализаторы. В живой клетке многочисленные химические реакции
осуществляются с помощью ферментов, которые можно определить
как биологические катализаторы. Чтобы эти реакции протекали вне
организма, потребовалась бы высокая температура или иные факторы.
Ферменты – это белковые молекулы, синтезируемые клетками. В
каждой клетке имеются сотни различных ферментов.
Следующий этап концептуального развития химии связан с
использованием принципов, реализованных в химизме живой
природы. Раскрытие в середине ХХ века структуры ДНК послужило
началом интенсивных исследований не только в биологии, но и химии.
Новым разделом стала эволюционная химия. В ее основе лежит идея
происхождения органической материи (и жизни) из неорганической.
По существу речь идет о самоорганизации химических процессов в
клетках живых организмов, представляющих собой микроскопический
химический реактор.
§25. Эволюционная химия
Эволюционная химия является ярко выраженным проявлением в
химии принципа глобального эволюционизма в науке. Центральной
задачей эволюционной химии является решение проблемы
возникновения жизни из неорганической материи. Поэтому
эволюционную химию называют предбиологией.
Универсальная модель химической эволюции пока не
разработана. Существуют два основных подхода к решению проблемы
эволюции предбиологических систем. В основе субстратного подхода
лежит идея естественного отбора химических элементов и структур.
Функциональный подход концентрирует внимание на идее
самоорганизации материальных систем. Крайней точкой зрения в
последнем является безразличие к материалу эволюционных систем.
Живые системы здесь моделируются даже из металлических систем.
Можно выделить третий подход – возникновение биологических
систем в результате случайности. Но этот вариант практически
57
невозможен. Пример: подход, основанный на идее генобиоза. Он
утверждает первичность возникновения в результате химической
эволюции молекулярной системы со свойствами генетического кода.
Но случайная его «сборка» невозможна – расчеты показывают
вероятность порядка 1/102000.
Под эволюционными понимают процессы самопроизвольного
синтеза химических соединений. Центральная идея – отбор
химических элементов по тем свойствам, которые давали бы
преимущество при переходе на более высокий уровень организации
материи – биологический. Химическая эволюция пытается объяснить
переход от химогенеза к биогенезу, проблему происхождения жизни.
Как отмечалось, в основе эволюционной химии лежит идея
химогенеза – своеобразного процесса «химического естественного
отбора веществ». К участию в живой материи природа отобрала
ограниченный набор элементов. Многие из химических элементов
участвуют в жизнедеятельности живых организмов. Но основу живых
систем составляют всего шесть – органогены. Это углерод (C),
водород (H), кислород (O), азот (N), фосфор (P) и сера (S). Их общая
весовая доля в живой материи составляет 97.4 %. Эволюцией
органогеном №1 был отобран углерод. Он, как никакой другой
элемент, способен образовывать одновременно прочные и лабильные
(перестраиваемые) химические связи. Углерод образует колоссальное
разнообразие органических соединений.
Факт принадлежности элементов к органогенам нельзя
объяснить их распространенностью на Земле. Из органогенов на Земле
распространены лишь кислород и водород. А углерод занимает 16
место. Общая весовая доля углерода, азота, фосфора и серы в
поверхностных слоях Земли около 0.24 %. В Космосе господствуют
водород и гелий, остальное можно рассматривать как примесь.
Предполагается, что кроме органогенов в результате
предбиологической эволюции шел отбор и химических соединений.
Ученые поражаются многообразию живого, составленному из
минимума химических элементов и химических соединений. Из
миллионов органических соединений в построении живых систем
участвует только несколько сотен. Из 100 известных аминокислот в
состав белков всех живых организмов входит только 20.
Современная теория происхождения жизни – химическая теория
эволюции – опирается на идею самозарождения жизни. Однако в ее
58
основе лежит не идея внезапного зарождения живых существ из
неживой материи, а эволюция химических соединений, составляющих
живую материю. Согласно этой концепции возникновение жизни –
результат длительной химической, а затем биохимической эволюции
на Земле. Теория связана с именами А.И.Опарина, Д.Холдейна,
Г.Юри, А.П.Руденко. Общий подход к химической эволюции впервые
был сформулирован советским биохимиком А.И.Опариным. В 1924
году была опубликована его первая книга, посвященная этому
вопросу. Опыты под его руководством по искусственному
воспроизводству жизни из неживой природы показали, что при
соответствующих условиях жизнь может возникнуть в любом месте
Вселенной, однако природа редко создает такие условия.
Опарин подчеркивал, что специфика земной жизни заключается
в эволюции соединений углерода и формировании из них углеродных
систем. Он предположил, что в растворах высокомолекулярных
соединений могут самопроизвольно образовываться зоны повышенной
концентрации, которые относительно отделены от внешней среды и
могут поддерживать с ней обмен веществ.
Подобные взгляды поддерживал британский биолог Джон
Холдейн. Суть взглядов в том, что при мощных электрических
разрядах в земной атмосфере, которая 4-4.5 млрд лет назад состояла из
аммиака, метана, углекислого газа и паров воды, могли возникнуть
простейшие
органические
соединения,
необходимые
для
возникновения жизни.
Первый этап возникновения жизни связан с
эволюцией
углеродных (простейших органических) соединений. Органические
соединения возникли в процессе взаимодействия кислорода, углерода,
азота и водорода под воздействием высокой температуры на
поверхности Земли (4000-8000 0С в начальный период),
ионизирующего и ультрафиолетового излучения, атмосферного
электричества. Предполагается, что земная жизнь имеет углеродную
основу, т.к. соединения углерода с водородом, азотом, кислородом,
серой, железом и т.п. обладают высокими каталитическими
свойствами. Тем не менее, не исключается возможность
возникновения жизни и на иной основе.
Второй этап связан с эволюцией в воде (обладающей свойствами
растворителя) сложных органических соединений. В первичном
океане, представлявшем концентрированный «органический бульон»
59
углеродных и других соединений, осуществлялся синтез сложных
органических молекул – углеводов, жиров, аминокислот, белков и
нуклеиновых кислот. Эта возможность была показана в середине XIX
века опытами А.М.Бутлерова.
Одним из условий синтеза биополимеров является наличие
бескислородной среды, т.к. кислород как сильный окислитель
разрушил бы исходные органические соединения. Американский
ученый Г.Юри предположил, что первичная атмосфера была
бескислородной и насыщена инертными газами – гелием, неоном,
аргоном, содержала водород, метан, аммиак. Вторичный состав
атмосферы, состоявший на 20 % из кислорода, стал следствием
развития жизни. Для его образования понадобилось более 1 млрд лет.
Возможность абиогенного синтеза биополимеров была доказана
в 1953 году, когда американский ученый С.Миллер смоделировал
первичную атмосферу Земли и синтезировал жирные кислоты,
уксусную и муравьиную кислоты, мочевину и аминокислоты,
пропуская электрические заряды через смесь инертных газов.
Согласно
гипотезе
А.И.Опарина
высокомолекулярные
органические соединения способны образовать фазовообособленные
белковоподобные системы – коацерваты или протоклетки
(пробионты), обладающие некоторыми свойствами простейших живых
существ. Коацерваты объясняют происхождение биологических
мембран. Они способны поглощать вещества из окружающей среды,
вступать во взаимодействие друг с другом, но не способны к
воспроизводству и саморегуляции. На этой стадии предбиологической
эволюции, вероятно, происходил отбор коацерватов.
Третий этап связан с формированием благодаря катализаторам у
органических соединений способности к самовоспроизводству. Только
с появлением таких систем можно говорить о возникновении жизни.
Первой формой живого являются не белки и ДНК, а более простые РНК.
Предположительно,
именно
РНК
впервые
стали
самовоспроизводиться
и
синтезировать
белок.
Из
РНК
сформировались
ДНК,
обладающие
более
совершенными
механизмами самовоспроизводства (репликации) и синтеза белка. На
первых этапах самовоспроизводство не было точным. Об этом
свидетельствует существование вирусов и фагов, – возможно,
остатков форм предбиологической эволюции.
60
В 1960-е годы открыты случаи самосовершенствования
катализаторов в реакции, когда обычно они дезактивировались. Это
проявление самоорганизации в химическом процессе.
В 1969 году А.П.Руденко сформулировал общую теорию
химической эволюции на основе синтеза субстратного и
функционального подходов. Сущность теории в утверждении, что
химическая эволюция есть саморазвитие каталитических систем, т.е.
эволюционирующим веществом являются катализаторы. Он
сформулировал основной закон химической эволюции, согласно
которому с наибольшей вероятностью происходят те эволюционные
изменения катализатора, которые увеличивают его активность.
В 2009 году британские ученые в лабораторных условиях
синтезировали рибонуклеотид, из которых собираются молекулы РНК.
В настоящее время появились работы, предполагающие, что
возникновение жизни связано с информационными и адаптационными
свойствами супрамолекулярных соединений.
Глава V. БИОЛОГИЧЕСКАЯ КАРТИНА МИРА
§26. Предмет биологии
Термин «биология» предложил в конце XVIII века Ж.Б.Ламарк.
Биология – наука о происхождении и развитии живого, его строении,
формах организации и способах активности. Биология исследует
живую природу, начиная от доклеточного уровня и кончая биосферой.
Возникновение биологических систем (биогенез) – исходная и
центральная проблема биологии.
Биология как наука возникла в XVI веке и до середины XIX века
развивалась как описательная наука, осуществлявшая анализ и
классификацию огромного эмпирического материала. Особенности
классической биологии во многом определялись практическими
потребностями. Первоначально развивались прикладные разделы:
медицина, животноводство, цветоводство и садоводство.
В середине ХХ века в биологии произошла научная революция,
сравнимая с революцией в физике и астрономии. Был раскрыт
механизм наследственности и изменчивости. Современная биология, в
отличие от классической, приобрела объяснительный характер.
Раскрытие структуры ДНК послужило началом интенсивных
61
исследований в химии и биологии. Воспроизводство живого
осуществляется за счет синтеза белков при помощи нуклеиновых
(ядерных) кислот ДНК и РНК. Полимерные структуры типа ДНК и
РНК являются тем фрагментом эволюции, который соединяет
химическую и биологическую эволюции. Развитие современной
биологии приводит к утверждению о единстве космической и
биологической эволюции. Современная научная картина мира
невозможна без биологических знаний.
Биология также получила мощный импульс для своего развития
в результате применения математических, физических и химических
методов исследования. В свою очередь биология помогает создавать
новые типы технических устройств. Современная биология использует
генетический и системно-структурный подходы. В ее основе лежит
идея единства живой материи на всех уровнях. Фундаментом всех
биологических наук является теория эволюции. Мир живого
представляется как огромная система систем, в которой каждый
компонент обладает собственными специфическими свойствами и
соединяется с другими особым типом связей.
Перед современной биологией по-прежнему стоит задача
классификации всего существующего. В настоящее время биология
представляет комплекс фундаментальных и прикладных наук.
Насчитывается более 50 биологических наук. По объекту
исследования выделяют вирусологию, бактериологию, ботанику,
зоологию, антропологию. По свойствам живого выделяются:
морфология – наука о строении живых организмов; физиология –
наука о функционировании живых организмов; молекулярная
биология – наука о микроструктуре живых тканей; генетика – наука о
законах наследственности и изменчивости; экология – наука,
изучающая взаимодействие живых организмов друг с другом и средой
обитания. По уровням организации живого выделяются: цитология –
наука о строении клеток; гистология – наука о строении тканей.
Выделяют также науки, находящиеся на стыке различных дисциплин –
систематика, палеонтология, генная инженерия, экология и др.
§27. Представления о происхождении и сущности жизни
В соответствии с наиболее общими мировоззренческими
позициями – материалистической и идеалистической – выделяют
62
противоположные теории происхождения жизни: витализм и теорию
естественного происхождения жизни из неживой природы. С точки
зрения витализма, родоначальником которого является Аристотель,
жизнь не может возникнуть естественным путем. Специфика живого
объясняется наличием особой жизненной силы, управляющей
материальными процессами. К материалистическим концепциям
относятся абиогенез и автогенез. Автогенез – концепция
самопроизвольного зарождения жизни. Абиогенез – концепция
эволюции жизни из неорганического вещества.
Идея самопроизвольного зарождения жизни возникла в
древности, получила распространение в эпоху Средневековья и
Возрождения (пример: лягушки из тины, мыши из тряпок и т.п.).
Отказ от нее произошел в XIX веке благодаря экспериментам
французского ученого Л.Пастера. Он показал, что появление жизни
там, где она не существовала, связан с бактериями. Методика
избавления от бактерий получил название пастеризации. В
религиозной концепции креационизма, виталистской по сути, жизнь
является следствием божественного творчества.
В классической биологии основными подходами были
редукционизм и витализм. С точки зрения редукционизма жизненные
процессы можно свести к совокупности физических и химических
процессов.
Биологический
редукционизм,
получивший
распространение в XVIII веке, опирался на идеи механистического
материализма. В конце XIX века появляется эмерджентный подход, а в
начале XX – холизм и органицизм, согласно которым специфика
живого определяется особыми свойствами, возникающими только при
появлении сложной физико-химической организации. Они близки по
духу к современным концепциям самоорганизации. С появлением
кибернетики в 1930-х годах распространилось представление, что
специфика живого связана с существованием в биологических
системах информационных, знаковых процессов.
В XIX веке возникла идея панспермии – космического
происхождения жизни. В 1865 году немецкий врач Г.Рихтер высказал
предположение, что жизнь в космосе переносится с одной планеты на
другую. В начале ХХ века ее развивали шведский ученый С.Аррениус
и русский ученый В.И.Вернадский. Критики панспермии отмечают,
что она не объясняет происхождение жизни.
63
В современной науке принята теория абиогенеза – идея
небиологического происхождения жизни под действием естественных
причин в результате длительного процесса космической,
геологической и химической (предбиологической) эволюции. Теория
не исключает возможности существования жизни в космосе и ее
космического происхождения на Земле.
В настоящее время наиболее распространены конкурирующие
концепции, основанные на дарвинизме, где главным фактором
эволюции является естественный отбор, и теории самоорганизации,
утверждающие, что дарвинистских факторов для объяснения
эволюции недостаточно.
Дать определение жизни сложно. Биология идет по пути
перечисления основных свойств существования живых организмов.
Существенными свойствами живого являются: обмен веществ,
подвижность, раздражимость (избирательный обмен веществ клетки
со средой), способность к усложнению (росту), самовоспроизведение
(размножение) и приспособляемость к среде. Неорганические системы
не обладают всей совокупностью этих свойств.
§28. Основные этапы эволюции жизни
За все время эволюции жизни на Земле существовало около 500
млн видов живых организмов. Исчезло примерно 99.5 % видов. Перед
биологией стоит задача их классификации.
Основные этапы эволюции живого изучает палеонтология –
наука об ископаемых организмах. Этапы биогенеза современная
биология увязывает с геогенезом, т.к. каждая геологическая эра
характеризуется своеобразием растительного и животного мира.
Геологические эры:
-катархей (4.6-3.8 млрд лет назад);
-архей (3.8-2.6 млрд лет назад);
-протерозой (2.6 млрд – 570 млн лет назад);
-палеозой (570-230 млн лет назад);
-мезозой (230-67 млн лет назад);
-кайнозой (67 млн лет назад - до настоящего времени).
Возраст Земли около 4.6 млрд лет. Жизнь возникла 3.8 млрд лет
назад в виде прокариотов. Прокариоты – простейшие клетки, не
имеющие ядра. Генетическая информация у них сосредоточена в
64
единственной хромосоме, прикрепленной к мембране. Деление клетки
не включает в себя точного повторения генетического материала.
Бывают одноклеточными и многоклеточными (колониальными). Их
размеры от 20 нм до 20 см (колониальные формы).
Сначала появились бактерии. Первые прокариоты были
анаэробными организмами, т.е. могли существовать без кислорода, и
гетеротрофами, т.к. необходимые для жизни органические вещества
они получали в готовом виде из окружающей среды. Однако
истощение первичного «органического бульона» потребовало
радикального изменения способа питания. На смену гетеротрофам 3.5
млрд лет назад пришли автотрофы, вырабатывающие необходимые
для жизнедеятельности органические вещества самостоятельно, из
неорганических. Они вырабатывали необходимые органические
вещества с помощью фотосинтеза, т.е. использования солнечной
энергии. В результате фотосинтеза выделяется кислород. Первыми
автотрофами были цианеи, затем сине-зеленые водоросли.
Автотрофы серьезно повлияли на состав земной атмосферы.
Атмосфера стала кислородной, появился озоновый слой. Современное
содержание кислорода было достигнуто в палеозое 250 млн лет назад.
Фотосинтез ускорил биогенез, дав преимущество аэробным
организмам, способным к жизни только в присутствии кислорода.
Жизнь на Земле стала полностью зависеть от фотосинтеза. Учение о
фотосинтезе было создано российским ботаником К.А.Тимирязевым.
В протерозое (1.8 млрд лет назад), когда атмосфера
стабилизировалась, появляются эукариоты – клетки, содержащие
выраженное ядро. Они лучше приспособлены к новым условиям. Их
ДНК собраны в хромосомы и способны воспроизводиться без
значительных изменений.
1 млрд лет назад произошло разделение эукариотов на
растительные и животные клетки. Их структурные различия
небольшие. Существенными являются различия в способах получения
питательных веществ. У животных клеток нет хлорофилла и
клеточной стенки, мешающей изменению формы. Растительные
клетки эволюционировали в сторону использования фотосинтеза и
поглощения неорганических соединений для создания органических
веществ, животные – в сторону совершенствования способов
передвижения и поглощения готовых органических веществ,
65
создаваемых растениями. С появлением хищников естественный отбор
резко ускоряется.
Существуют
организмы,
занимающие
промежуточное
положение
между
растениями
и
животными.
Например,
одноклеточные эвгленовые водоросли питаются как растения, а
передвигаются как животные. Их рассматривают как переходное звено
между растениями и животными. Существуют растения по способу
питания аналогичные животным: растения-паразиты повилика и
хмель, насекомоядные растения мухоловка и росянка. Известны
неподвижные животные – моллюски.
У низших животных блуждающие животные клетки играют роль
пищеварительных органов. У высших животных, в том числе у
человека, такие клетки лежат в основе иммунной системы,
защищающей специфическое строение организма. Теория иммунитета
разработана российским ученым И.И.Мечниковым.
Резко ускорило биологическую эволюцию появление 900 млн
лет назад полового размножения (механизма слияния и последующего
распределения генетического материала двух организмов). Половое
размножение значительно повысило генетическую изменчивость
потомства, видовое разнообразие, что позволило быстрее
приспосабливаться к изменениям окружающей среды.
Более 700 млн лет назад от колониальных форм одноклеточных
появились многоклеточные организмы. Они более дифференцированы
- обладают развитыми органами и тканями, выполняющими различные
функции. Первыми были губки, членистоногие и кишечнополостные.
Более 500 млн лет назад, появляются первые позвоночные –
животные, имеющие скелеты. У позвоночных роль каркаса играет
внутренний скелет, у высших форм беспозвоночных – насекомых –
наружный. У насекомых врожденные реакции преобладают над
приобретенными. У позвоночных развит головной мозг и условные
рефлексы преобладают над безусловными. Например, если у
насекомых биосоциальность (муравьи, пчелы, термиты) ведет к потере
индивидуальности, то у млекопитающих, напротив, к усилению.
В конце протерозоя на сушу выходят одноклеточные
микроорганизмы (бактерии). В результате их деятельности возникает
почва, что подготовило условия для выхода на сушу более 400 млн лет
назад многоклеточных растений. Наземные растения получили
преимущество перед водными, т.к. фотосинтез на суше протекает
66
интенсивнее (больше солнечной энергии). Первые наземные растения
– псилофиты – занимали промежуточное положение между
водорослями и сосудистыми растениями. В мезозое у наземных
растений происходит дифференциация тела на корень, стебель, листья;
совершенствование тканей и способов размножения. Дальнейшая
эволюция растений связана с эволюцией семян. У семенных растений
исчезает зависимость полового размножения от наличия воды.
Вслед за растениями на сушу 375 млн лет назад перебрались
первые животные – различные виды членистоногих (предки
насекомых, пауков и скорпионов). Они были амфибиями
(двоякодышащими) и напоминали скорпионов.
Более 300 млн лет назад появились летающие насекомые.
300 млн лет назад появились рептилии, напоминавшие ящериц.
Они стали первыми полностью приспособленными к суше
позвоночными. Их яйца были покрыты твердой скорлупой. В начале
мезозоя рептилии полностью завоевали сушу, поэтому эту эпоху
называют эрой пресмыкающихся. Некоторые динозавры достигали
веса до 30 т и длины до 30 м. Некоторые летающие ящеры имели
размах крыльев до 20 м.
Более 200 млн лет назад, появились первые млекопитающие.
Более 140 млн лет назад от летающих пресмыкающихся
произошли первые птицы, сочетавшие признаки птиц и рептилий.
В период 144-65 млн лет назад появились цветковые
(покрытосеменные) растения.
В конце мезозоя наступило сильное похолодание, приведшее к
гибели многочисленных видов живого и вымиранию динозавров.
Эволюционное преимущество получили теплокровные животные –
млекопитающие и птицы – и цветковые растения. Кайнозой – период
господства млекопитающих, птиц, насекомых и цветковых растений.
Примерно 8 млн лет назад стали формироваться современные
семейства млекопитающих.
В настоящее время жизнь на Земле представлена доклеточными
(вирусы, куда входят и фаги) и клеточными организмами. Клеточные
организмы разделены на четыре царства: безъядерные (бактерии и
археи), грибы (около 100 тысяч видов), растения (описано более 500
тысяч видов) и животные (около 1.5 млн видов).
Вирусы (лат. «яд») являются неклеточными (переходными)
формами, объединяющими свойства живого и неживого. Были
67
открыты русским ученым Д.Ивановским в 1892 году. Вирусы
способны к самовоспроизводству, но вне чужого организма (клетки)
не проявляют признаки жизни, т.к. не имеют собственного обмена
веществ. Вирусы примерно в 50 раз меньше бактерий, по своей
структуре похожи на гены. Они имеют головку и спираль с хвостом.
Спиральная пружина подобно игле проталкивает хвост внутрь клетки,
в которую впрыскивается ДНК. Вирусы поражают все живые
организмы. Фаги – это вирусы, поражающие бактерии. Есть вирусы,
существующие за счет других вирусов.
Бактерий известно более трех тысяч видов. К ним относятся и
цианобактерии (синезеленые водоросли). Несмотря на внешнее
сходство археи имеют независимую эволюционную историю.
Некоторые гены и метаболические пути сближают их с эукариотами
(ядерными клетками). Ни один из известных представителей архей не
является паразитом или патогенным организмом.
Одноклеточные организмы с ядром называются простейшими
(25-30 тысяч видов). Самые простые – амебы. Грибы сочетают
свойства растений и животных. По числу видов животные превосходят
растения. Известно около 70 тысяч видов позвоночных, 16 тысяч птиц,
около 13 тысяч млекопитающих. Считается, что описано примерно две
трети существующих видов живых организмов.
§29. Уровни организации живой природы
Жизнь на Земле представляет собой целостную систему четырех
основных уровней организации живой материи:
-молекулярно-генетического;
-организменного (онтогенетического);
-популяционно-видового (филогенетического);
-биогеоценотического (биосферного).
Единицей молекулярно-генетического уровня выступает ген –
элемент молекулы ДНК, несущий наследственную информацию.
Единицей организменного уровня выступает отдельный
организм. Онтогенез – процесс индивидуального развития организма
(по сути, реализация наследственной информации). Термин ввел
Э.Геккель. Он сформулировал общебиологический биогенетический
закон, согласно которому онтогенез есть краткое и сжатое повторение
филогенеза. Филогенез – развитие вида, к которому принадлежит
68
данный организм. Индивид повторяет в быстром и кратком ходе
своего развития самые важные формы, через которые прошли его
предки в длительном ходе палеонтологического развития.
Единицей популяционно-видового уровня является популяция –
«атом» эволюции, совокупность особей одного вида, изолированная от
других групп вида. Вид – генетически закрытая система популяций.
Скрещивание особей разных видов в подавляющем большинстве
случаев не ведет к появлению плодовитого потомства. Эволюция вида
осуществляется через изменение генотипа популяции. Термин
«популяция» введен одним из основателей генетики В.Иогансеном.
Изучением популяций занимается популяционная биология.
Биосферный
уровень
изучает
экология.
Единица
биогеоценотического уровня - биогеоценоз (экологическая система).
Это элементарная ячейка биосферы, ее естественная модель. Термин
ввел российский ученый В.Н.Сукачев (1940), а термин «экосистема» английский ботаник А.Тенсли (1935). Компонент биогеоценоза биоценоз – исторически сложившееся сообщество популяций
растений, животных, грибов и микроорганизмов, связанных друг с
другом и средой обменом веществ. Виды для своего существования
нуждаются друг в друге, выполняя свою функцию в экосистеме, что
является результатом коэволюции – взаимной приспособляемости.
Биогеоценоз – совокупность биотических (популяции
различных видов растений, животных и микроорганизмов) и
абиотических (атмосфера, почва, вода, солнечная энергия) элементов,
связанных между собой обменом веществ, энергии и информации.
Границы биогеоценозов совпадают с границами фитоценоза
(совокупности растений). Более 90% живого вещества приходится на
наземную растительность (97% биомассы суши). Основой пищевой
цепочки экосистемы являются автотрофы (зеленые растения и
микроорганизмы, хемосинтетики (некоторые бактерии)), питающиеся
неорганическими соединениями и производящие органическое
вещество. Хемосинтетики синтезируют органику в процессе
окисления и служат пищей для гетеротрофов первого порядка –
травоядных животных, грибов, большинства бактерий, вирусов. Затем
идут гетеротрофы второго порядка, питающиеся травоядными
животными и т.д. Животные, в свою очередь, играют важную роль в
жизни растений (опыление, круговорот веществ и т.д.).
69
Заключительным звеном пищевой цепочки являются микробы,
перерабатывающие отмершие организмы в неорганические вещества.
Биогеоценозы устойчивые системы. Чем более многообразна
экосистема, чем больше число составляющих ее видов, тем она более
жизнеспособна. Но даже выпадение одного элемента может вызвать
необратимое нарушение равновесия и распад биогеоценоза. Поэтому
для его нормальной жизнедеятельности необходимо сохранение всех
его элементов. Изменения, касающиеся одного вида, влияют на
биоценоз и могут вызвать его распад. Численность каждого вида
колеблется вблизи равновесного уровня. Нарушение динамического
равновесия между различными элементами биогеоценоза, связанное с
массовым размножением одних видов и сокращением или
исчезновением других, называется экологической катастрофой.
В условиях развала экосистемы идет активное видообразование.
Предсказать процесс видообразования невозможно из-за сложной
комбинации множества факторов. Искусственное создание новых
видов организмов может запустить каскад видообразования, создание
нового мира, в котором человеку может не оказаться места.
§30. Учение о биосфере
Совокупность экосистем на Земле называется биосферой. Это
живые организмы со средой обитания. Современное понимание
биосферы подчеркивает взаимосвязь живой и неживой природы:
круговорот вещества обеспечивает существование жизни. Биосфера
ограничена пределами озонового слоя (защищающим жизнь от
ультрафиолета) и высокой температурой земных недр (на глубине 3км
достигающей 1000С) - примерно 40км: 30км атмосферы, гидросферу,
верхнюю часть литосферы (10м). Гидросфера богата живыми
организмами до 200м; некоторые обнаружены на глубине 11км.
Температурный интервал жизни от -252 до +1800С (4320С). Живые
существа на поверхности Земли защищены озоновым слоем (10-50км).
Термин «биосфера» впервые использован в 1875 году
австрийским ученым Э.Зюссом, понимавшим под ним только
совокупность живых организмов. Изменил представление в 1930-е
годы российский ученый В.И.Вернадский, начавший разрабатывать
комплексное учение о биосфере. По его мнению, живое вещество по
массе составляет незначительную часть биосферы, но является
70
ведущим ее компонентом – геохимической силой, меняющей облик
планеты. В ходе геологической эволюции воздействие живого
вещества на неживую природу возрастает. Человечество является
частью живого вещества. Ступень развития биосферы, связанная с
появлением человека называется ноосферой (от греч. «разум»).
Понятие введено французским ученым Э.Леруа в 1927 году. Главным
фактором эволюции ноосферы выступает разумная деятельность
человека. Вернадский считал, что переход биосферы в ноосферу
связан с преобразованием не только природы, но и самого человека.
Концепцию
ноосферы
также
развивали
русский
ученый
А.Л.Чижевский и французский - П.Тейяр де Шарден.
Естественнонаучное развитие концепции биосферы привело к
созданию в начале ХХ века науки экологии (от греч. «жилище»).
Экология – наука, изучающая взаимодействие живых организмов друг
с другом и средой обитания. Термин ввел в 1866 году Э.Геккель.
Современная экология вышла за рамки биологии. Например,
выделяют медицинскую, промышленную, социальную, историческую,
этическую и т.д. экологии. Их идеи и принципы вышли на
мировоззренческий уровень и связали экологию с философией.
Интеграцию Вернадский считал сущностной характеристикой
биосферы. Современная биология использует понятие коэволюции,
означающее взаимное приспособление видов. Именно коэволюция
обеспечивает устойчивость биосферы. Например, уничтожение
хищных животных ухудшает генофонд травоядных.
Насколько уникален человек, настолько он и уязвим. Главный
враг человечества – он сам. С одной стороны, множество видов живых
организмов он уничтожил. Считается, что человек уничтожил 70 %
экологических систем. С другой стороны, он вывел огромное
количество видов растений и животных. Современная наука открывает
перед человечеством таинственный «ящик Пандоры»: клонирование
человека и животных, воссоздание вымерших видов живых существ,
создание новых форм живого. Бесконтрольная активность может
привести к опасной для человечества труднопредсказуемой реакции
биосферы. Примеры: загрязнение промышленными отходами
окружающей среды, разрушение озонового слоя, парниковый эффект.
Промышленные выбросы углекислоты в настоящее время не
компенсируются процессами фотосинтеза. Следствием парникового
71
эффекта может стать глобальное потепление климата, ведущее к
таянию ледников и повышению уровня мирового океана.
От
начала
неолитической
революции
(перехода
от
собирательства к производящему хозяйству, образованию города)
прошло около 10 000 лет. В настоящее время созданная человеком за
год техномасса на порядок превышает вес дикой биомассы. Поэтому
важно при решении экологических проблем создавать безотходные
технологии с замкнутым циклом использования материалов.
Проблема выживания человечества требует поиска путей
гармоничного сосуществования, коэволюции человека и биосферы.
§31. Клеточная теория
Общепринятой теории происхождения протоклетки пока нет.
Изучением клетки занимается цитология. Исследование
микроскопического строения живых организмов стало возможно
благодаря изобретению микроскопа в 1600 году. Понятие «клетки»
ввел в научный оборот английский ботаник Р.Гукк в 1665 году. В 1831
году Р.Броун установил существование клеточного ядра. В 1839 году
биологи М.Я.Шлейден и Т.Шванн создали клеточную теорию
строения живых организмов, которая имела большое значение для
утверждения теории эволюции, стала убедительным аргументом в
пользу идеи единства происхождения и развития всего живого на
Земле. Шлейден установил, что все растения состоят из клеток, а
Шванн распространил это учение на животный мир.
Клетка – основа живого, элементарная биологическая единица,
«атом». Она обладает всеми свойствами живого – самостоятельный
обмен веществ (метаболизм), способность к саморегуляции и
воспроизводству. Метаболизм предназначен для поддержания
определенного уровня организации и включает доставку в клетку
исходных веществ, получение из них энергии и белков, выведение из
клетки выработанных продуктов и энергии. Он служит основой
гомеостаза (саморегуляции) – механизма поддержания постоянства
параметров внутренней среды клетки и всего организма (кровяное
давление, температура тела, частота пульса и т.д.).
Клетки многообразны. Выделяются прокариоты (доядерные
клетки) и эукариоты (ядерные). К прокариотам относятся бактерии и
археи.
Потомками
прокариот
являются такие
органоиды
72
эукариотических клеток как митохондрии («энергетическая станция
клетки») и пластиды (органоиды эукариотических растений и
некоторых фотосинтезирующих простейших).
Клетки существуют как одноклеточные организмы (например,
амебы), так и в составе многоклеточных. У них разный срок
существования. Например, некоторые клетки пищевода человека
живут несколько дней, а нервные клетки могут существовать в
течение всей жизни человека. Жизненный цикл клетки определяется
ее гибелью или делением. Размеры лежат в пределах 0.001-10 см.
Нервные клетки, имеющие отростки, могут иметь размеры более
метра. Температурный диапазон существования одноклеточных
достигает 600 0С. В многоклеточных организмах клетки
дифференцированы, образуя ткани (нервная, мышечная и т.д.) и
органы (несколько типов тканей). Клетки имеют одинаковый набор
генов, но в них работают только те гены, которые необходимы для
развития данной ткани (органа).
В структуре эукариотической клетки выделяют мембрану,
отделяющую содержимое клетки от внешней среды, заполняющую
клетку
цитоплазму, представляющую
соляной
раствор с
растворимыми и взвешенными ферментами и молекулами РНК
(рибонуклеиновая кислота), ядро, содержащее хромосомы, органоиды
и клеточные включения. Хромосомы – элементы ядра, носители
наследственной информации, состоящие из молекул ДНК
(дезоксирибонуклеиновая кислота), к которым могут быть
присоединены белки и РНК. Размножение клеток происходит только
благодаря делению. Различают два способа деления. Митоз – деление
клеточного ядра на два дочерних с идентичными родительскому
набору хромосом. Мейоз – деление клеточного ядра на четыре
дочерних ядра, каждое содержащее вдвое меньше родительских
хромосом. Митоз характерен для всех клеток, кроме половых, мейоз –
только для половых, содержащих половинный набор хромосом по
сравнению с соматическими клетками. Гаметы – половые
(зародышевые) клетки животных и растений. Все клетки организма
имеют одинаковый набор генов, так как возникают из одной
зародышевой клетки в процессе многократного деления.
Клеточная теория выводила на генетику, так как
клеткообразование предполагает механизм управления процессом.
73
§32. Генетика и молекулярная биология
Наукой,
изучающей
механизмы
наследственности
и
изменчивости в живой природе является генетика. Ее основы заложил
австрийский ученый Г.Мендель, открывший законы наследственности
(1865). Он открыл корпускулярную природу наследственности,
показал, что наследование признаков происходит дискретно.
Экспериментально (скрещивая горох) пришел к выводу, что в
зародышевую клетку поступает информация от обоих родителей, но в
первом поколении проявляется только доминантный (преобладающий)
признак, а во втором – доминантные и рецессивные (уступающие)
признаки в пропорции 3:1. Это явление называется расщеплением
признаков. Таким образом, рецессивные признаки не исчезают в
поколениях, а сохраняются и проявляются через поколение.
В 1900 году законы наследственности были переоткрыты Х. де
Фризом (Голландия), К.Корренсом (Германия) и Э.Чермаком
(Австрия). Х. де Фриз открыл существование наследуемых мутаций.
Он предположил, что новые виды возникают в результате мутаций.
Мутация (лат. «изменение») – внезапное изменение наследственных
структур. Эксперименты показали, что мутационный (рецессивный)
признак не исчезает, а постепенно накапливается в генофонде
популяции, что является основой изменчивости. Признаки не
сливаются, а перераспределяются. Поначалу де Фриз противопоставил
мутации естественному отбору, но позднее согласился, что
естественный отбор способствует закреплению полезных мутаций.
В 1920-е годы А.Вейсманом, Т.Х.Морганом, А.Стертевантом,
Г.Дж.Меллером разработана хромосомная теория наследственности.
Было доказано, что гены находятся в основных элементах ядра клетки
- хромосомах. Согласно этой теории биологическому виду присуще
строго определенное число хромосом. Теория объясняла механизм и
причины мутаций. Меллер, в частности, показал, что мутации могут
вызываться излучением, химическими веществами, изменениями
температуры, наконец, могут быть просто случайными. В 1940-е годы
в биологии осуществился переход от белковой к нуклеиновой
трактовке гена. Морган обнаружил, что по химическому составу гены
- это нуклеиновые кислоты. На основе этих исследований возникла
молекулярная биология, объединившая биохимию и генетику.
74
В 1944 году О.Эвери установил, что носителем наследственной
информации является ДНК. В 1953 Ф.Крик и Д.Уотсон расшифровали
структуру ДНК: две закрученные в спираль, идущие в
противоположных направлениях, спаренные, связанные водородными
связями мономерные цепи. Информация обеих нитей ДНК идентична.
Это была революция, приведшая к пониманию механизма
наследственности: его основой является свойство самокопирования
ДНК. За расшифровку генетического кода в 1962 году Ф.Крик,
Д.Уотсон и М.Уилкинс получили Нобелевскую премию.
Итак, носителями генетической информации являются молекулы
ДНК, находящиеся в хромосомах ядра. Ген - единица, «квант»
наследственной информации - участок ДНК, служащий матрицей для
синтеза белка. Ген не может раствориться в другом гене или слиться с
ним, всегда остается самим собой. Ген состоит из нуклеотидов,
изменение последовательности которых ведет к мутациям. В мутациях
ген изменяется как целое. Гены, локализованные в одной хромосоме,
составляют одну группу сцепления и передаются совместно.
По назначению гены «мозг» клеток и, следовательно, всего
организма. Геном – совокупность генов единичного набора хромосом
клетки. Совокупность всех генов организма - наследственных
факторов - составляет его генотип. В клетке человека 23 пары
хромосом с общей длиной 2-3 метра. Они содержат более 30 000
генов. Фенотип – совокупность внешних признаков организма,
сформировавшихся в процессе индивидуального развития. Фенотип
человека формируется под влиянием генотипа и социальной среды.
Фенотип животных полностью определяется генотипом. Понятия гена,
генотипа и фенотипа были введены датским ученым В.Иогансеном.
Первоначальным носителем генома является половая клетка зигота, образующаяся от слияния женской и мужской половых
клеток. В ней заложены все секреты организма. Она обладает
функцией создания более 100 типов клеток, из которых состоит
организм. В результате все клетки имеют одинаковый состав генов.
В основе живого лежат нуклеиновые кислоты и белки. Белки –
основное вещество. Воспроизводство организма осуществляется за
счет синтеза белков при помощи нуклеиновых (ядерных) кислот.
Нуклеиновые кислоты – вещества ядра клетки, обладающие
свойствами кислот и являющиеся носителями генетической
информации в живых телах. Один тип кислот называется ДНК, другой
75
- РНК. Нуклеиновые кислоты представляют собой полимерные цепи,
звеньями которых являются нуклеотиды. Белки – макромолекулы,
структура которых задается последовательностью аминокислот,
состоящих нуклеотидов. В каждом конкретном белке порядок
аминокислот всегда один и тот же. Большинство белков являются
ферментами – катализаторами происходящих в живых системах
химических реакций. Все ферменты – белки.
Нуклеотид – это соединение азотистого основания, сахара и
остатка фосфорной кислоты. Специфика нуклеотидов (алфавита ДНК)
определяется азотистым основанием: аденин (А), тимин (Т), цитозин
(С), гуанин (G). ДНК состоит из их сочетаний. Цепочки ДНК
соединены между собой водородными связями, причем всегда связаны
А-Т, С-G. Такая связь соответствующих друг другу азотистых
оснований называется принципом комплиментарности.
Все живое имеет одинаковый биохимический состав: 20
аминокислот, 5 азотистых оснований, глюкоза, жиры. В образовании
белков участвует 20 из 100 известных аминокислот, т.е. происходил их
отбор на этапе предбиологической эволюции. Для образования
аминокислоты (единицы генетического кода) требуется три
нуклеотида (кодон), что означает триплетность кода. Код един для
всех живых организмов – одни и те же кодоны кодируют
аминокислоты всех организмов. Каждой аминокислоте соответствует
от 1 до 6 кодонов. Генетический код избыточен: один ген кодирует
несколько белков и один белок закодирован в нескольких генах. Число
аминокислотных различий двух видов может служить мерой времени,
прошедшего после дивергенции от общего предка.
Синтетическая биология подошла к созданию искусственной
клетки, алфавит ДНК которой может состоять не из 4, а из 6-8
элементов. Например, из 6 элементов получится 175 аминокислот.
Синтез белков может быть как простым копированием, так и
копированием с частичными изменениями, что делает возможным как
наследование признаков, так и их мутацию. Синтез белка
осуществляется в три этапа – репликация, транскрипция,
трансляция. Репликация (самоудвоение ДНК): ДНК разрывается на
две одинарные нити; каждая нить по своей поверхности строит новую;
новые
нити
соединяются
между
собой
по
принципу
комплиментарности. Это быстрый процесс. Так ДНК из 40 000 пар
нуклеотидов собирается за 100 секунд.
76
Синтез
белка
в
рибосомах
осуществляют
РНК
рибонуклеиновые кислоты - на основе информации, содержащейся в
ДНК. Молекула РНК представляет собой одноцепочную нить из
нуклеотидов А, С, G и урацила (U). Транскрипция – перенос кода ДНК
путем образования информационной РНК на одной нити ДНК
(генетический код переносится на и-РНК, представляющую копию
части ДНК (одного или нескольких генов)).
Трансляция - синтез белка в рибосомах на основе генетического
кода
информационной
РНК.
Необходимые
аминокислоты
доставляются в рибосому транспортной РНК. Попадающие в организм
белки расщепляются на аминокислоты, которые используются для
построения собственных белков. Процесс синтеза белка, содержащего
тысячи аминокислот длится, не более 6 минут. Почти в каждой клетке
человека синтезируется свыше 10 000 разных белков.
К достижениям молекулярной биологии относят открытие
«молчащих генов», «прыгающих генов», составляющих десятки
процентов генетического материала эукариот. В отличие от прокариот
у ДНК эукариот есть участки, не выполняющие функцию кодирования
белка (интроны – «бессмысленные» ДНК). Например, из 3511 генов
первой хромосомы человека всего 2076 белок-кодирующих генов.
Обнаружены
неизлечимые
пока
смертельно
опасные
заболевания человека, переносчиками которых являются не
микроорганизмы, а изменившиеся белки человеческого организма.
В соматических клетках эукариот помимо хромосом, копии ДНК
содержатся в митохондриях и плазмидах. Плазмиды - мигрирующие
генетические элементы в хромосомах и цитоплазме, не являющиеся
обязательным компонентом клетки. Используя их можно менять ДНК
организма. Пример: синтез инсулина (1978) – белка, способного
бороться с диабетом (регулировать уровень сахара в крови).
Генная инженерия, сложившаяся в 1970-е годы на основе
синтеза молекулярной биологии и генетики, открывает много
возможностей. Это высший уровень современной биотехнологии.
Изучаются изменения биологических структур за счет прямого
вмешательства в генетический аппарат. В настоящее время с высокой
точностью устанавливается родство людей, активно выводят
трансгенные растения и животных, клонируют их (создают
генетические копии) и т.д. Пример: трансгенный картофель,
устойчивый к колорадскому жуку, за счет введения в него гена
77
бациллы,
благодаря
которому
вырабатывается
белок,
превращающийся в пищеварительном тракте жука в яд.
Мигрирующие генетические элементы обнаруживают сходство с
внутриклеточными паразитами вирусами, состоящими из
нуклеиновой кислоты (ДНК или РНК) и белковой оболочки. Открыто
явление трансдукции генов – переноса генетической информации
вирусами, включающими в себя часть генов исходной клетки. Это
позволяет выдвигать гипотезы о важной роли вирусов в эволюции.
Хромосомы (греч. «цвет+тело») – элементы ядра клетки,
содержащие основную наследственную информацию. Название
обусловлено их способностью окрашиваться во время деления клетки.
Биологический вид характеризуется постоянством числа и
размеров хромосом. Вирусы и прокариоты не имеют хромосом в
собственном смысле слова. У РНК-содержащих вирусов роль
хромосомы выполняет однонитевая молекула РНК. У ДНКсодержащих вирусов и прокариот (бактерий и синезеленых
водорослей) единственная хромосома представляет собой свободную
от белков, замкнутую в кольцо ДНК, прикрепленную к клеточной
стенке. У эукариот хромосома состоит из ДНК, белков и РНК. Число
хромосом различно: от одной до тысяч (некоторые споровые растения
и простейшие). У аскариды 2 хромосомы, дрозофилы – 8, крысы – 42,
человека – 46, гориллы – 48, курицы - 78. В геноме человека 30-40
тысяч генов, у червяка – 19, у мухи-дрозофилы – 13.5 тысяч.
В 2009 году американские ученые Элизабет Блэкберн, Кэрол
Грейдер, Джек Джостак получили Нобелевскую премию за открытие
механизма старения. Молодость зависит от теломер, выполняющих
защитную функцию – они сохраняют целостность ДНК. Теломер – это
конец хромосомы, укорачивающийся при делении клетки
Хромосомный набор половых и соматических клеток различен.
В соматических клетках содержится двойной (диплоидный) набор
хромосом, состоящий из пар идентичных (гомологичных) хромосом.
Один из гомологов – отцовского, другой – материнского
происхождения. Хромосомы каждой пары идентичны по размеру,
форме, генному составу. Исключение составляют хромосомы,
отвечающие за пол. В половых клетках (гаметах) эукариот все
хромосомы представлены в единственном числе (гаплоидный набор
хромосом). В оплодотворенной яйцеклетке (зиготе) гаплоидные
наборы мужских и женских гамет объединяются, восстанавливая
78
двойной набор хромосом. У человека и млекопитающих развитие из
зиготы женской особи определяет пара половых хромосом, состоящая
из двух XX-хромосом, мужской – из XY-хромосом. У других эукариот
пол определяется числом половых хромосом.
§33. Теория эволюции
Для эволюционистов теория эволюции - фундамент биологии.
Для живой природы характерно постоянное развитие, которое долго
не замечалось. Главными свидетельствами являются данные
палеонтологии, систематики, эмбриологии, селекции и др. Селекция,
например, представляет собой эволюцию в искусственных условиях.
Традицию систематизации видов животных заложил еще
Аристотель, группируя виды по сходству и родству. Но биологическое
знание до XVIII века оставалось в зачаточном состоянии и
накопленный эмпирический материал по-прежнему нуждался в
систематизации. Эту задачу осуществил К.Линней, подытожив
развитие биологии. Он создал искусственную классификацию живых
организмов, ограничивающуюся внешними признаками. В нее вошли
4 тысячи видов животных и 10 тысяч видов растений. Сам Линней
осознавал ее ограниченность и всю жизнь работал над созданием
естественной классификации. К этому подталкивали трудности
классификации близких видов, факты гибридизации, обнаружение
ископаемых форм, изменение животных при одомашнивании и др.
Во второй половине XVIII века были распространены
концепции трансформизма, предполагавшие изменчивость видов под
действием внешних условий. Идею трансформации видов предложил
Ж.Бюффон для объяснения многообразия живого. Но сущность
взаимосвязей между видами понята не была. В основу нового этапа
развития биологии легла идея эволюции. Переход от трансформизма к
эволюционизму произошел на рубеже XVIII-XIX веков. Трудности
создания теории эволюции были связаны, прежде всего, с господством
среди биологов представления о том, что сущность органических
форм неизменна, внеприродна и может быть изменена только Богом.
Естественная классификация опирается на идею эволюции,
т.е. исходит не только из внешнего сходства, но и общего
происхождения. Значительный вклад в утверждение эволюционизма
внес Ж.Б.Ламарк, объявивший эволюцию всеобщим законом живой
79
природы. Его последователь Г.Р.Тревиранус в начале XIX века
предложил воссоздать историю живого в виде родословного древа. В
первой теории эволюции Ламарк утверждал, что изменение
биологических видов происходит благодаря прямому влиянию
окружающей среды и приспособлению к ней живых организмов.
Благодаря Ламарку среду стали понимать как условие эволюции.
Приспособительная изменчивость осуществляется путем изменения
органов тела в результате тренировки и передается по наследству.
Однако он не вскрыл подлинных причин эволюции, т.к. считал, что
видообразование происходит из-за стремления к совершенствованию.
Наряду с ламаркизмом предпосылками, промежуточными
формами эволюционизма были катастрофизм и униформизм. В
учении катастрофизма (Ж.Кювье и др.) идея биологической эволюции
производна от идеи развития геологических процессов. Здесь
биологические виды неизменны. Новые виды животных и растений
появляются только в периоды непредсказуемых геологических
изменений. Между видами нет и не может быть переходных форм.
«План композиции» - нематериальная сила, идеальный организующий
центр божественного творения. Униформисты (Дж.Геттон, Ч.Лайель и
др.) также ориентировались на геологическую проблематику, но
утверждали познаваемость катастроф. Для тех и других характерно
отсутствие представлений о факторах эволюции органического мира.
Решающий вклад в теорию эволюции сделал Ч.Дарвин. Он ввел
в цепь изменчивость-наследственность идею естественного отбора. Ее
изложил в труде «Происхождение видов путем естественного отбора»
(1859), тираж которой (1250) продали в первый день. Дарвин
предположил, что среди животных есть конкуренция, благодаря
которой выживают наиболее приспособленные к окружающей среде.
В основе эволюции лежат три фактора, объединенных краткой
формулой: изменчивость (индивидуальные изменения организма),
наследственность
(механизм
передачи
по
наследству
индивидуальных изменений) и естественный отбор. Изменчивость
является основой образования новых признаков. Наследственность
закрепляет их. Естественный отбор выбраковывает вредные признаки.
Накопление новых свойств ведет к видообразованию.
Несмотря на похожесть, внутри популяции невозможно
обнаружить две одинаковые особи. При изменении условий даже
небольшое различие может дать одним организмам значительное
80
преимущество перед другими. Дарвин разграничивает два вида
изменчивости.
Определенная
изменчивость
(адаптивная
модификация, в современной терминологии) – реакция организма на
изменения окружающей среды – не передается по наследству и не
является материалом для эволюции. Неопределенная изменчивость
(мутации, в современной терминологии) – основа изменчивости в
живой природе, индивидуальные изменения в организме,
передающиеся по наследству. Естественный отбор, как ведущий
фактор эволюции, - процесс избирательного уничтожения наименее
приспособленных к условиям окружающей среды особей и
обеспечивает прогресс в развитии живых организмов.
Во второй половине XIX века против естественного отбора
выступили креационисты, антиэволюционисты, альтернативные
эволюционисты (неоламаркизм, неокатастрофизм, мутационизм,
телеологические концепции). Кроме того, в самом дарвиновском
учении выделились три основные направления (ортодоксальный
дарвинизм, дарвинизм Геккеля, дарвинизм Вейсмана). Дарвин,
например, не мог объяснить сохранение полезных признаков, т.к.
согласно существующим представлениям при скрещивании живых
организмов должно происходить их усреднение и растворение в новых
поколениях («кошмар Дженкина»). Ответ дала теория Г.Менделя,
согласно которой наследственность носит дискретный характер.
С созданием генетики возникли попытки заменить дарвинизм
мутационными концепциями (автогенез). Предполагалось, что
образование видов идет за счет внутренних мутационных факторов и
не требует участия внешней среды (естественного отбора). На самом
деле генетика дополняет дарвинизм, восполняя главный его пробел –
объясняет сущность неопределенной изменчивости.
Завершение теории Дарвина произошло с синтезом теории
эволюции и генетики в 1930-е годы в синтетическую (общую)
теорию эволюции (СТЭ). Создание СТЭ означало переход биологии с
классического на неклассический уровень познания (С.Четвериков,
Р.Фишер, С.Райт, Дж.Холдейн, Н.Дубинин и др.).
Эволюционное учение является теоретической основой
современной биологии. СТЭ свела биологическое знание в единую
систему, обобщив результаты. Все живое родственники, т.к. имеют
общую генетическую основу. Например, млекопитающие, включая
человека, состоят из одинаковых генов (отличия – в их сочетаниях).
81
В отличие от классической теории, рассматривающей организм
в качестве единицы эволюции, СТЭ единицей считает популяцию. Ей
в большей степени присущи признаки самоорганизующейся системы.
Например, признаки могут быть вредны для особи, но полезны для
вида. Ужалившая врага пчела гибнет; самка паука «черная вдова»
съедает самца после совокупления и т.д.
Основные факторы эволюции - мутации (материал эволюции,
основа разнообразия особей), популяционные волны («волны жизни»,
резкие колебания численности), изоляция (обособление популяции),
естественный отбор (ведущий фактор эволюции). Неосновные –
частота смены поколений, темп мутаций, характер мутаций и др.
«Единицей» наследственности выступает ген, отвечающий за
развитие определенного признака организма. Основным механизмом
эволюции является отбор организмов с полезными для
приспособления к среде мутациями. Мутации возникают
естественным или искусственным путем. Результатом мутации может
стать появление организма нового вида – мутанта. Факторы,
вызывающие мутации, называются мутагены. Мутагенами могут
быть температура, питание, отравляющие вещества, радиация,
изменения состава атмосферы, вирусы и т.д. Селекционеры
используют это для полезных мутаций. Наиболее опасными являются
вирусы (пример: вирусы гриппа и СПИДа (иммунодефицита)).
Мутации появляются случайно под действием внешних и
внутренних факторов. Понятие мутации в генетике аналогично
понятию флуктуации в синергетике. Выделяют мутации генные,
хромосомные, геномные (изменения числа хромосом и др.),
внеядерных ДНК и др. Пример: болезнь Дауна связана с лишней
хромосомой. Они также бывают нейтральными, вредными или
полезными. Мутации почти всегда приносят вред. Вредные приводят к
гибели организма или элиминируются естественным отбором.
Полезные мутации редки. Они накапливаются в поколениях, т.к.
позволяют лучше приспособиться к среде, определяя главное
направление развития популяции. Исследования Четверикова и его
школы показали, что по мере старения вид накапливает мутации.
Признаки вида постепенно расшатываются и изоляция популяции с
естественным отбором приводят к образованию нового вида.
В 1935 году А.Н.Колмогоров показал, что наиболее
благоприятны популяционные волны в средних по численности
82
популяциях. В многочисленных труднее проявиться полезным
изменениям, а в малочисленных они, редкие сами по себе, еще более
редко встречаются. Изоляция (обособление) выполняет роль
усилителя эволюции, позволяя закрепить изменение генофонда.
Естественный отбор в СТЭ выступает движущей силой,
ведущим фактором эволюции, определяя главную линию
исторического развития живого. Отбору подвергаются все признаки
живого, он действует на всех стадиях развития особи. В классической
теории естественный отбор понимался как процесс выживания
наиболее приспособленных организмов. СТЭ делает акцент на другой
стороне процесса – на устранении от участия в размножении наименее
приспособленных. Это точнее характеризует естественный отбор.
Эволюционные процессы в зависимости от масштаба разделяют
на микро- и макроэволюцию. Микроэволюция – совокупность
эволюционных процессов, приводящих к возникновению нового вида;
макроэволюция – новых надвидовых форм (род, семейство, отряд и
т.д. (Термины ввел в 1927 году русский генетик Ю.А.Филипченко). В
природе
существует
и
постепенное,
адаптивное
(через
микроэволюцию) видообразование и скачкообразное, связанное с
резкой перестройкой генома (через механизмы макроэволюции).
Накоплен материал, свидетельствующий о несводимости
макроэволюции к микроэволюции. Например, выделена новая форма
видообразования - гибридизация, предполагающая происхождение
вида в результате объединения генотипов различных видов. Это
объясняет, например, происхождение эукариот и фотосинтеза.
Получены доказательства макромутаций, придающих организму
признак другого таксона. Например, с помощью трансдукции
(переноса генов бактериями и вирусами). Согласно исследованиям 45% основных видов млекопитающих из-за хромосомных мутаций
имеют хромосомный полиморфизм. Они сыграли важную роль в
происхождении человека, число хромосом которого (2n=46)
отличается от числа хромосом ближайших предков (2n=48).
Следует отметить противоположную эволюционной точку
зрения. Антиэволюционисты утверждают, что все эволюционные
теории говорят лишь о возможности, но не о необходимости
эволюции; что простое не может породить сложное и здесь не
обойтись без идеи целесообразности. Они считают, например, что
морфологическая и генетическая близость видов не является
83
доказательством их эволюционной связи; что наблюдается лишь
внутривидовая изменчивость и нет доказательств эволюционного
возникновения новых видов [см., например, работы Курашова].
§34. Анропогенез
Противоположными концепциями происхождения человека
являются религиозная (креационизм: творение) и научная (эволюция).
Антропология (от греч. «человек») – наука о происхождении и
эволюции человека. Антропогенез – эволюционный процесс
формирования человека.
Современная наука
рассматривает
антропогенез как продолжение биогенеза.
До конца XIX века господствовала религиозная концепция.
Существовало негласное табу на исследование человека, его мозга и
психики, которые якобы подрывали мораль. Например, тираж книги
И.Сеченова «Рефлексы головного мозга» (1863) был уничтожен
цензурой. В 1925 году в Дейтоне (США) за преподавание теории
Дарвина был осужден учитель Дж.Скопс («обезьяний процесс»).
Научная антропология началась с середины XVIII века.
К.Линней, классифицируя растения и животных, поместил человека
рядом с человекообразными обезьянами (1735). Ж.Ламарк
предположил, что человек произошел от человекообразной обезьяны в
силу перемены климата, заставившей перейти обезьян к
прямохождению и наземному образу жизни. Научная разработка
антропогенеза началась в конце XIX века благодаря Ч.Дарвину. Он
показал, что происхождение человека осуществлялось естественным
путем. В книге «Происхождение человека и половой отбор» (1871)
Дарвин обосновал идею животного происхождения человека,
утверждая, что современные обезьяны – боковые ветви антропогенеза.
Дарвин и его последователи (Т.Хаксли, Э.Геккель и др.)
установили сотни общих признаков строения человека и обезьян,
сходство эмбрионального развития человека с основными периодами
развития органического мира. В эмбриологии был открыт
биогенетический закон: онтогенез есть сжатое повторение филогенеза
(эмбрион в развитии в некоторой мере повторяет эволюционную
историю той группы организмов, к которой он относится). Генетика
свидетельствует, что организм несет в себе информацию о предках.
84
В теории антропогенеза выделяются три этапа. На первом
Ч.Дарвин разработал классическую теорию эволюции, установил ее
движущие силы. Неизбежность борьбы за существование он выводил
из противоречия между размножением организмов и ограниченностью
условий их существования, ведущего к сохранению наиболее
приспособленных организмов. Увеличение многообразия живого
происходило путем превращения внутривидовых форм в виды,
межвидовых – в роды и т.д. Археология подтвердила гипотезу. Были
найдены останки существ, находящихся на эволюционной линии
между животными и человеком.
Но биологические стимулы не объясняли необходимость
превращения биологического существа в социальное, т.к.
биологическая эволюция направлена на приспособление к среде, для
которого достаточно биологической специализации (изменения
строения тела, режима питания и т.д.). Второй этап связан с
Ф.Энгельсом. Он показал, что генезис человека является
антропосоциогенезом
–
единым
процессом
биологической
(морфофизиологическое превращение животного в человека) и
социальной (превращение животного стада в человеческое общество)
эволюции. Человек приспосабливался не только к естественной, но и к
искусственной среде (культуре).
Биологические
предпосылки,
обеспечившие
переход
антропоидов к человеку, – прямохождение, развитие руки и мозга
(гоминидная триада). Например, прямохождение, как медленный
способ передвижения, требовал компенсации в виде более развитых
психики и стадных отношений, что отражалось на структуре мозга.
Энгельс выделил основные социальные факторы антропогенеза:
труд, сознание и язык. Они возникли одновременно, но решающим
фактором является общественный труд как планомерное изменение
природы. Согласно Ф.Энгельсу, некоторые виды приматов под
влиянием изменившихся природных условий вынуждены были
изменить образ жизни. Это повлекло необходимость систематического
хранения и изготовления орудий труда. Именно в труде
формировалась способность осознания действий, потребность в
понимании объективных законов. До человека труда не было, а была
приспособительная деятельность животных как естественная форма
движения материи. Труд – особая форма взаимодействия с
85
окружающей средой. Появление трудящегося животного является
революцией в развитии природы, выходом в надприродный мир.
Труд не отменил действия биологических законов, а
преобразовал их. Он вмешивался в биологическую эволюцию через
отбор благоприятных для общества биологических признаков. Шел
процесс взаимной стимуляции биологических изменений и труда.
Новая биологическая форма приспосабливала себя к внешней среде в
поисках нового способа взаимодействия, а найденный способ (труд)
влиял, в свою очередь, на биологические изменения.
Трудовая деятельность возникла в результате естественного
отбора. Гранью, которая отделила человека от антропоидов, стала
коллективная орудийная деятельность, производство орудий труда,
опосредующих отношение человека к природе и другим людям. Труд
стал необходимой, а затем ведущей стороной отношения человека к
миру. Благодаря этому появилась возможность приспосабливаться к
изменениям внешней среды не путем изменения строения тела, а
путем создания орудий труда. Орудие труда – предмет с измененной
при помощи другого предмета формой. Животные их не создают.
Результаты труда накапливались, создавая культуру. Именно в
процессе труда сформировался человек. Труд составляет основу
мышления. Содержание сознания зависит от уровня развития
общественной практики. В орудиях труда закреплялся социальный
опыт человека, его умения, знания, способ мышления. Основой
человеческих форм общения является разделение труда. Орудия труда
лежат в основе социальной формы наследования, которую Дарвин не
рассматривал. Если природе опыт передается через естественный
отбор, то трудовые навыки не закрепляются генетически.
Третий этап связан с созданием СТЭ. Были получены новые
доказательства теории Дарвина. Выявлено сходство генетического
кода человека с шимпанзе на 98%, с неандертальцем – на 99% .
Происхождение человека – цепь случайностей. Основными
факторами антропосоциогенеза были биологические, социальные и
природные. Природные факторы выступали мощным генератором
мутационных процессов. Пусковой механизм антропогенеза
«включился» благодаря их совпадению. «Толчком, заставившим его
начать работу, послужило маловероятное в принципе пересечение в
нужном месте и в нужное время практически независимых друг от
друга биологических (формирование у какой-то группы или групп
86
интеллектуально продвинутых гоминоидов предрасположенности к
прямохождению), климатических (аридизация) и тектонических
(образование Восточноафриканского рифта) процессов. Это стечение
обстоятельств закрыло для наших предков возможность адаптации к
меняющимся условиям существования обычным – биологическим –
путем и подтолкнуло к более активной реализации уже имеющегося у
них достаточно высокого интеллектуального потенциала»3.
С точки зрения биологии современный человек является одним
из видов отряда приматов: вид разумный (sapiens), род человек
(Homo), семейство гоминиды, подотряд обезьяны, отряд приматы,
класс млекопитающие, царство животные, надцарство эукариоты.
Гоминиды – семейство отряда приматов, в которое входят
современный и ископаемый человек.
Стадии
антропогенеза4:
австралопитеки,
хабилисы,
архантропы, палеантропы и неоантропы.
Австралопитеки (жили 4.2-1.2 млн. лет назад): переходные
формы от высших обезьян (понгид) к человеку. Прямоходящие,
систематически
использовавшие
подобранные
предметы
и
накапливающие их («предметный фонд стада»), но не
обрабатывающие или спорадически подрабатывающие (поздние
австралопитеки) предметы.
Хабилисы (человек умелый, 2.4-1.7 млн. лет назад – начало
палеолита) – основатели рода Homo, анатомически и по образу жизни
близки к австралопитекам, намеренно обрабатывали орудия.
С возникновением хабилисов начался длительный период
сосуществования биологических и социальных закономерностей. Для
первобытных людей характерна морфологическая эволюция,
качественная перестройка коры головного мозга, руки, органов речи.
Архантропы (1.9 млн. – 600 тыс. лет назад) - настоящие Homo.
Изготавливали около 20 видов орудий труда, обладали
нечленораздельной речью.
Палеантропы (человек гейдельбергский) жили 600–150 тыс. лет
назад. Они пользовались такими же орудиями, но научились
пользоваться естественным огнем (400-350 тыс. лет назад). Возможно,
они пользовались членораздельной речью.
3
4
Вишняцкий, 2009. С. 71-72.
Там же С.72-81.
87
Неоантропы (Homo sapiens) - последний этап биологической
эволюции человека, – появились 150 тыс. лет назад. Научились
добывать искусственный огонь (120-100 тыс. лет назад). На стадии
кроманьонца (40 тыс. лет назад) создается родовое общество, что
означает завершение антропосоциогенеза (видообразования человека).
Завершилось
действие
группового
естественного
отбора,
биологические закономерности полностью подчинились социальным.
Существовал «запасной» вариант человечества, подвид человека
разумного - неандертальцы (150-25 тыс. лет назад), которые возникли
в Европе из местных палеантропов. Они изготавливали около 60 видов
орудий труда, добывали огонь и хоронили умерших. Их генетический
код расшифрован. Доказано, что они скрещивались с людьми.
Трудности восстановления эволюции человека в том, что в
каждый период могло существовать несколько параллельных
эволюционных линий, исходящих от общего предка. Эволюция
приматов не является линейным процессом, вершиной которого
должен стать современный человек. Во-первых, эволюционная линия
человека представляет собой лишь одну из ветвей генеалогического
древа эволюции приматов, которая могла и не состояться, т.к. «цель»
биологической эволюции не в появлении сознания, а в
приспособлении к среде. Во-вторых, теория эволюции не утверждает
окончание эволюции человека.
Линия
шимпанзе,
ближайших
живущих
наших
«родственников», отделилась от человека 8-4.5 млн. лет назад5, а
эволюция человека началась 2.4 млн. лет назад. Результатом их
эволюции является биологическая специализация (приспособление к
определенным условиям существования). Чтобы шимпанзе стали
гоминидами, необходим эволюционный процесс в определенном
направлении, который у человека занял несколько млн. лет.
За 150 тыс. лет человек физически почти не изменился,
биологическая эволюция завершена. Но если естественный отбор
перестал играть решающую роль на социальном уровне (любой
человек может оставить потомство), то осуществляется на уровне
зародышевых клеток. Его роль сводится к сохранению генофонда,
сдерживанию мутаций.
5
Вишняцкий, 2009. С.39.
88
Глоссарий
Абиотические факторы – неорганические факторы, влияющие на
жизнедеятельность организмов.
Абиогенез – концепция возникновения жизни из неорганического вещества.
Автогенез – концепция самозарождения жизни.
Автокатализ – химическая реакция, в которой для синтеза вещества
необходимо его присутствие в качестве катализатора.
Автотрофы
–
организмы,
синтезирующие
необходимые
для
жизнедеятельности органические вещества самостоятельно, из неорганических.
Адаптация – приспособление организма, его строения и функций к условиям
среды обитания.
Адаптивная модификация (определенная изменчивость) – реакция
организма на изменения окружающей среды не передающаяся по наследству и не
являющаяся материалом для эволюции.
Адроны – частицы, участвующие в сильных взаимодействиях.
Аккреция – падение вещества на звезду.
Алхимия – донаучный этап развития химии, учение о превращении
(«трансмутации») веществ друг в друга.
Анаэробные организмы – организмы, способные существовать без кислорода.
Аннигиляция – взаимоуничтожение частиц и античастиц.
Антигравитация (темная энергия) – сила всемирного отталкивания вакуума,
благодаря которой Вселенная ускоренно расширяется.
Античастицы – частицы, отличающиеся от обычных знаком заряда
(электрического, магнитного или лептонного).
Антропогенез – эволюционный процесс формирования человека.
Антропология (от греч. «человек») – наука об эволюции человека.
Антропосоциогенезом - процесс неразрывного единства биологической и
социальной эволюции человека.
Атом – наименьшая частица химического элемента, являющаяся носителем
его свойств.
Аэробные организмы – организмы, не способные существовать без кислорода.
Барионы – адроны, состоящие из трех кварков.
Белки – органические вещества, состоящие из аминокислот.
Белый карлик – один из конечных этапов эволюции звезд, представляющий
собой гигантский кристалл из атомных ядер.
Биогенез – процесс возникновения и развития биологических систем.
Биогеоценоз (экологическая система) – совокупность связанных между собой
биотических (популяции растений, животных и микроорганизмов) и абиотических
(атмосфера, почва, вода, солнечная энергия) элементов.
Биосфера – сфера живых организмов и среды их обитания; совокупность
биогеоценозов.
Биотехнология – использование живых организмов или биологических
процессов в производстве.
Биотические факторы – совокупность воздействий живых организмов.
Биология – наука о происхождении и развитии живого, его строении, формах
организации и способах активности.
89
Биогеоценоз – совокупность биотических и абиотических элементов,
связанных между собой обменом веществ, энергии и информации.
Биоценоз – совокупность совместно обитающих популяций растений,
животных, грибов и микроорганизмов.
Бозоны – частицы с целым спином.
Бозоны Хиггса (частицы «Бога») – частицы вакуума, участвующие в
формировании качественных и количественных свойств реальных частиц.
Большой взрыв – характеристика возникновения Вселенной из
первоначального сингулярного состояния.
Вакуум – вид материи (низшее энергетическое состояние поля),
характеризующийся отсутствием реальных частиц.
Валентность – способность атомов одного химического элемента
соединяться с определенным количеством атомов другого элемента.
Вещество – вид материи, частицы которого имеют массу покоя.
Взаимодействие гравитационное – самое универсальное из взаимодействий,
характеризующее притяжение между любыми материальными объектами.
Взаимодействие
сильное
–
фундаментальное
взаимодействие,
характеризующее притяжение и отталкивание между кварками.
Взаимодействие слабое – фундаментальное взаимодействие, отвечающее за
распад частиц.
Взаимодействие электромагнитное – фундаментальное взаимодействие,
характеризующее притяжение и отталкивание электрических и «магнитных» зарядов.
Взаимодействия фундаментальные (силы) – наиболее глубокие физические
структурные связи природы.
Вид – генетически закрытая система популяций.
Виртуальные частицы – короткоживущие частицы, возникающие в вакууме
вследствие кратковременного нарушения закона сохранения энергии.
Вирус (от лат. «яд») – неклеточные организмы, состоящие из нуклеиновой
кислоты (ДНК или РНК) и белковой оболочки.
Витализм – идеалистический подход, согласно которому специфика живого
объясняется наличием особой жизненной силы.
Время – форма существования материи, характеризующая длительность и
последовательность существования явлений.
Галактики – структурные элементы Вселенной, гигантские звездные системы.
Гаметы – половые клетки животных и растений.
Ген – единица наследственной информации, участок молекулы ДНК,
служащий матрицей для синтеза белка.
Генетика (от греч. «происхождение») – наука, изучающая механизмы
наследственности и изменчивости в живой природе.
Геном – совокупность генов единичного набора хромосом клетки, содержащий
обобщенный план развития организма.
Генотип – совокупность всех генов, наследственных факторов данного
организма.
Гетеротрофы
–
организмы,
получающие
необходимые
для
жизнедеятельности вещества в готовом виде из окружающей среды.
Гомеостаз - механизм поддержания постоянства параметров внутренней
среды организма.
90
Гоминиды – семейство отряда приматов, в которое входят современный и
ископаемый человек.
Горизонт событий (сфера Шварцшильда) – поверхность черной дыры.
Гравитационный коллапс – катастрофическое сжатие звезды под действием
гравитации.
Гравитационный радиус – радиус черной дыры.
Гравитон – переносчик гравитационного взаимодействия.
Дифракция (рассеяние) – отклонение волн от прямолинейного движения при
прохождении (огибании) препятствия, сравнимого с их длиной.
ДНК - дезоксирибонуклеиновая кислота, носитель генетической информации.
Дополнительности принцип – принцип, утверждающий, что любое явление
природы требует для своего определения взаимоисключающие понятия.
Естественный отбор – ведущий фактор эволюции, процесс устранения из
размножения наименее приспособленных к окружающей среде организмов.
Звезда – газовый шар, в котором происходят термоядерные реакции.
Изменчивость – индивидуальные изменения организма.
Изомеры – молекулы одинакового состава, но различной структуры.
Изотопы – химические элементы, имеющие одинаковый заряд ядра, но
отличающиеся по массе.
Инерциальная система отсчета – система отсчета, движущаяся
прямолинейно и равномерно.
Инерции принцип – принцип, утверждающий, что в отсутствии внешних
воздействий тело либо покоится, либо движется прямолинейно и равномерно.
Инфляция – фаза расширения Вселенной со сверхсветовой скоростью.
Катализатор – вещество изменяющее скорость реакции, но в реакции не
участвующее.
Квант – неделимая порция физической величины (энергии, импульса и т.д.).
Квантовая механика – теория микрообъектов.
Кварки – частицы с дробным электрическим зарядом, из которых состоят
частицы, участвующие в сильных взаимодействиях.
Клетка – основа живого, элементарная биологическая единица.
Клонирование – генетическое копирование живого организма.
Ковариантность – тождественность.
Корпускула – частица.
Корпускулярно-волнового дуализма принцип – принцип, утверждающий, что
волновые и корпускулярные свойства присущи всем видам материи.
Коэволюция – эволюции взаимодействующих систем.
Красное смещение – удлинение длины волны излучения химического
элемента.
Красный гигант – стадия эволюции звезды, наступающая после выгорания в
ее ядре водорода.
Красный сверхгигант - стадия эволюции звезды, наступающая после
выгорания в ее ядре гелия.
Лептоны – частицы, обладающие массой покоя, но не участвующие в сильных
взаимодействиях.
Макроэволюция – совокупность эволюционных изменений, приводящих к
возникновению новых надвидовых форм живого.
91
Материя – объективная реальность, существующая независимо от сознания и
отражаемая им.
Мезоны – частицы, состоящие из двух кварков.
Мейоз – деление клеточного ядра на четыре дочерних ядра, каждое
содержащее вдвое меньше родительских хромосом.
Менделеева таблица – периодический закон изменения свойств химических
элементов.
Метаболизм – обмен веществ.
Метагалактика – наблюдаемая часть Вселенной.
Микроэволюция – совокупность эволюционных изменений, приводящих к
возникновению новых видов.
Мировые постоянные (константы) – наиболее фундаментальные физические
параметры, характеризующие свойства Вселенной.
Митоз – деление клеточного ядра на два дочерних с идентичными
родительскому набору хромосом.
Млечный путь – название нашей галактики.
Молекула – наименьшая частица вещества, обладающая его основными
химическими свойствами.
Мутагены – факторы, вызывающие мутации.
Мутация (неопределенная изменчивость) – основа изменчивости в живой
природе, внезапное изменение наследственных структур.
Наследственность – механизм передачи по наследству индивидуальных
изменений организма.
Наука – форма познания, направленная на получение объективных знаний о
действительности, имеющих доказательство и эмпирическую проверку.
Научная революция – закономерный, периодически повторяющийся процесс
перехода к новому способу познания под давлением эмпирических фактов.
Научная картина мира – форма обобщения и синтеза научных знаний в виде
системы общих представлений о природе.
Неинерциальная система отсчета – система отсчета, движущаяся с
ускорением.
Нейтронная звезда – один из конечных этапов эволюции звезд,
представляющий собой объект из сверхтекучей нейтронной жидкости.
Неопределенности принцип – принцип, утверждающий, что понятия волны и
частицы к квантовым объектам можно применить только по отдельности.
Новая звезда – вспышка термоядерных реакций в белом карлике.
Ноосфера (от греч. «разум») - ступень развития биосферы, связанная с
появлением человека.
Нуклеиновые кислоты – обладающие свойствами кислот вещества ядра
клетки (ДНК и РНК), являющиеся носителями генетической информации.
Нуклоны – ядерные частицы (протоны и нейтроны).
Онтогенез – процесс индивидуального развития организма.
Органогены – химические элементы, составляющие основу живых систем.
Орудие труда – предмет с измененной при помощи другого предмета формой.
Относительности принцип – принцип, утверждающий неизменность
(инвариантность) законов физики в любых системах отсчета.
92
Относительности принцип Галилея – принцип относительности в рамках
преобразований Галилея.
Палеонтология – наука об ископаемых организмах.
Перигелий – ближайшая к Солнцу точка орбиты планеты.
Поле – вид материи, частицы которого не имеют массы покоя.
Популяция – «атом» эволюции, совокупность особей одного вида,
изолированная от других групп этого же вида.
Предбиология – см. химия эволюционная.
Предел Оппенгеймера-Волкова – верхний предел массы нейтронной звезды.
Предел Чандрасекара – верхний предел массы белого карлика.
Прецессия – вращение.
Причинности принцип – принцип, утверждающий естественную
обусловленность всех явлений объективного мира.
Прокариоты – клетки без ярко выраженного ядра.
Пространство – форма существования материи, характеризующая
протяженность и порядок расположения одновременно существующих объектов.
Протозвезда – звезда на стадии до возникновения термоядерных реакций.
Пульсар – нейтронная звезда как источник импульсного электромагнитного
излучения, вызванный несовпадением ее оси вращения и оси магнитного поля.
Раздражимость – избирательный обмен веществ клетки со средой.
Радиоактивность – спонтанный распад атома.
Реакции термоядерные – ядерные реакции синтеза химических элементов при
высоких температурах.
Реакции ядерные – реакции превращения химических элементов.
Реакции ядерные распада – ядерные реакции распада тяжелых химических
элементов на легкие.
Резонансы – самые нестабильные элементарные частицы.
Реликтовое излучение – фоновое излучение Вселенной, возникшее в эпоху ее
образования.
РНК - рибонуклеиновые кислоты (и-РНК и т-РНК), осуществляющие синтез
белка в рибосомах на основе информации, содержащейся в ДНК.
Сверхновая звезда – взрыв звезды в момент образования нейтронной звезды.
Связь ионная - электростатическое притяжение между ионами, образованными
смещением электронной пары к одному из атомов.
Связь ковалентная – связь между атомами за счет образования электронных
пар, в равной мере принадлежащих обоим атомам.
Связь металлическая - связь между положительными ионами в кристаллах
металлов,
осуществляемая
за
счет
притяжения
электронов,
свободно
перемещающихся по кристаллу.
Сингулярность – состояние вещества огромной плотности.
Синергетика – физическая теория самоорганизации материи.
Скорость света – предельная скорость распространения материальных
воздействий; скорость движения безмассовых частиц.
Спин – собственный момент импульса квантовых объектов.
Струны (р-браны) – элементарные «частицы» р-измерений в теории
суперструн.
93
Супергравитация (суперсила) – сила образовавшая Вселенную, объединявшая
в себе все фундаментальные взаимодействия.
Сфера Шварцшильда (горизонт событий) – поверхность черной дыры.
Тахионы – гипотетические частицы, движущиеся со сверхсветовыми
скоростями.
Темная энергия – см. антигравитация.
Теория относительности Эйнштейна – физическая теория пространства и
времени, включающая в себя СТО (1905) и ОТО (1916).
Теория относительности общая (ОТО) – теория гравитации Эйнштейна.
Теория относительности специальная (СТО) – релятивистская механика.
Туннельный эффект – отличная от нуля вероятность прохождения квантовым
объектом энергетического барьера.
Фаги – это вирусы, поражающие бактерии.
Фенотип – совокупность внешних признаков организма, сформировавшихся в
процессе индивидуального развития.
Ферменты – биологические катализаторы.
Фермионы – частицы с полуцелым спином.
Филогенез – развитие вида, к которому принадлежит данный организм.
Флогистон (огненная материя) – гипотетическая невесомая субстанция,
выделяющаяся в процессе горения.
Фотон – квант света.
Фотосинтез – процесс синтезирования органических веществ с помощью
солнечной энергии, в результате которого выделяется кислород.
Химическая связь – связь между атомами, образующая молекулы.
Химический элемент – это вид атомов (совокупность изотопов) с одинаковым
зарядом ядра.
Химия – наука, изучающая свойства и превращения веществ,
сопровождающиеся изменением их состава и строения.
Химия эволюционная («предбиология») – раздел химии, изучающий
возникновение органических веществ из неорганических.
Химогенез – процесс химического естественного отбора веществ.
Хромососмы (греч. «цвет+тело») – основные элементы клеточного ядра,
содержащие наследственную информацию.
Цитология – раздел биологии, занимающийся изучением клетки.
Черная дыра – звезда с непреодолимой силой тяготения.
Экологическая катастрофа - нарушение динамического равновесия между
различными элементами биогеоценоза.
Экологическая система – см. биогеоценоз.
Экология – наука, изучающая взаимодействие живых организмов друг с
другом и средой обитания.
Элементарные частицы – неделимые частицы.
Эукариоты – клетки, содержащие ядро.
Эфир – гипотетическая материальная среда, заполняющая мировое
пространство; в античной философии – строительный материал Космоса, в
классической физике – переносчик световых волн.
94
Персоналии
Авогадро Амедео (1776-1856) – итальянский физик и химик
Аррениус Сванте Август (1859-1927) – шведский физик и химик
Аристотель (384-322 до н.э.) – древнегреческий философ-идеалист
Беккерель Анри Антуан (1852-1908) – французский физик
Берцелиус Йенс Якоб (1779-1848) – шведский химик
Бете Ганс (1906-2005) – немецкий физик
Больцман Людвиг (1844-1906) – австрийский физик
Бор Нильс (1885-1962) – датский физик
Бойль Роберт (1627-1691) – английский физик и химик
Бройль Луи де (1892-1987) – французский физик
Броун Роберт (1773-1858) – английский ботаник
Бруно Джордано (1548-1600) – итальянский философ, космолог
Бутлеров Александр Михайлович (1828-1886) – российский химик
Бюффон Жорж Луи Леклерк (1707-1788) – французский естествоиспытатель
Вайнберг Стивен (р. 1933) – американский физик
Вейсман Август (1834-1914) – немецкий зоолог
Вернадский Владимир Иванович (1863-1945) – российский ученый
Волков Джордж Майкл (Георгий Михайлович) (1914-2000) – канадский физик
Галилео Галилей (1564-1642) – итальянский физик и астроном
Гассенди Пьер (1592-1655) – французский философ, математик и астроном
Геккель Эрнст (1834-1919) – немецкий биолог
Гелл Ман Марри (р.1929) – американский физик
Гершель Уильям (Фридрих Вильгельм) (1738-1822) – английский астроном
Герцшпрунг Эйнар (1873-1967) – датский астроном
Геттон Джеймс (1726-1797) – шотландский натуралист и геолог
Гейзенберг Вернер (1901-1975) – немецкий физик-теоретик
Глэшоу Шелдон Ли (р.1932) – американский физик
Гукк Роберт (1635-1703) – английский биолог
Гут Алан Харви (р.1947) – американский физик и космолог
Дальтон Джон (1766-1844) – английский химик и физик
Дарвин Чарльз Роберт (1809-1882) – английский естествоиспытатель
Демокрит (460-370 до н.э.) – древнегреческий философ-материалист
Дженкин Флеминг (1833-1885) – английский инженер и математик
Джермер Лестер Хэлберт (1896-1971) – американский физик
Дэвисон Клинтон Джозеф (1881-1958) – американский физик
Дирак Поль Адриен Морис (1902-1984) – английский физик
Дубинин Николай Петрович (1906-1998) – российский биолог и генетик
Евклид (IV-III век до н.э.) – древнегреческий математик
Ивановский Дмитрий Иосифович (1864-1920) – российский физиолог и микробиолог
Иогансен Вильгельм (1857-1927) – датский генетик
Кекуле Фридрих (1829-1896) – немецкий химик
Колмогоров Андрей Николаевич (1903-1987) – российский математик
Комптон Артур Холли (1892-1962) – американский физик
Коперник Николай (1473-1543) - польский астроном
Корренс Карл Эрих (1864-1933) – немецкий ботаник
95
Крик Френсис Харри Комптон (1916-2004) – английский микробиолог и генетик
Кулон Шарль Огюстен (1736-1806) – французский физик
Кювье Жорж (1769-1832) – французский зоолог и палеонтолог
Лавуазье Антуан Лоран (1743-1794) – французский химик
Лайель Чарльз (1797-1875) – английский естествоиспытатель и геолог
Ламарк Жан Батист Пьер (1744-1829) – французский биолог
Ландау Лев Давидович (1908-1968) – российский физик-теоретик
Лаплас Пьер Симон (1749-1827) – французский астроном, математик и физик
Лармор Джозеф (1857-1942) – английский физик
Леруа Эдуард (1870-1954) – французский ученый
Леметр Жорж (1894-1966) – бельгийский астроном и математик
Линде Андрей Дмитриевич (р.1948) – русско-американский физик
Линней Карл (1707-1778) – шведский биолог и естествоиспытатель
Ломоносов Михаил Васильевич (1711-1765) – российский ученый
Лоренц Хендрик Антон (1853-1928) – нидерландский физик
Марков Моисей Александрович (1908-1994) – российский физик-теоретик
Майкельсон Альберт Абрахам (1852-1931) – американский физик
Максвелл Джеймс Кларк (1831-1879) – английский физик
Мах Эрнст (1838-1916) – австрийский физик и философ-идеалист
Меллер Герман Джозеф (1890-1967) – австрийский биолог и генетик
Менделеев Дмитрий Иванович (1834-1907) – российский химик
Мендель Грегор Иоганн (1822-1884) – австрийский ученый
Мечников Илья Ильич (1845-1916) – российский биолог и иммунолог
Миллер Стенли Ллойд (1930-2007) – американский химик и биолог
Минковский Герман (1864-1909) – немецкий математик
Морган Томас Х. (1866-1945) – американский биолог
Ньютон Исаак (1643-1727) – английский физик и математик
Опарин Александр Иванович – (1894-1980) – российский биохимик
Оппенгеймер Джакоб Роберт (1904-1967) – немецкий физик-теоретик
Оствальд Вильгельм Фридрих (1853-1932) – нем. физико-химик, философ-идеалист
Пастер Луи (1822-1895) – французский физик
Паули Вольфганг Эрнст (1900-1958) – немецкий физик
Пифагор (580-500) – древнегреческий математик и философ
Планк Макс Карл Эрнст Людвиг (1858-1947) – немецкий физик
Птолемей Клавдий (90-160 н.э.) – древнегреческий астроном, математик и географ
Пуанкаре Жюль Анри (1854-1912) – французский физик и математик
Райт Сьюалл (1889-1988) – американский генетик
Резерфорд Эрнст (1871-1937) – английский физик
Рессел (Рассел) Генри Норрис (1877-1957) – амер. астроном
Рихтер Герман Эбергард (XIX) – немецкий врач
Руденко Александр Прокофьевич (XX) – российский химик
Салам Абдус (1926-1996) – пакистанский физик-теоретик
Сеченов Иван Михайлович (1829-1905) – российский физиолог
Стертевант Альфред Генри (1891-1970) – американский генетик
Стефан Йозеф (1835-1893) – австрийский физик
Сукачев Владимир Николаевич (1880-1967) – российский ботаник и географ
Тенсли Артур Джордж (1871-1955) – английский ботаник
96
Тимирязев Климент Аркадьевич (1843-1920) – российский биолог и ботаник
Томонага Синъитиро (1906-1979) – японский физик
Томсон Джозеф Джон (1856-1940) – английский физик
Тревиранус Готфрид Рейнхольд (1776-1837) – немецкий естествоиспытатель
Уилер Джон Арчибальд (1911-2008) – амер. физик-теоретик
Уотсон Джеймс Дьюи (р.1928) – американский биохимик и генетик
Ферми Энрике (1901-1954) – итальянский физик
Фейнман Ричард Филлипс (1918-1988) – американский физик
Филипченко Юрий Александрович (1882-1930) – российский биолог и генетик
Фицджеральд Джордж Френсис (1851-1901) – ирландский физик
Фишер Рональд Эйлмер (1890-1962) – английский математик и генетик
Фридман Александр Иванович (1888-1955) – российский математик и физик
Фриз Хуго де (1848-1935) – голландский биолог
Хаббл Эдвин Пауэл (1889-1953) – американский астроном
Хаксли (Гексли) Томас Генри (1825-1895) – английский естествоиспытатель и биолог
Хиггс Питер Уэйр (р.1929) - английский физик-теоретик
Хокинг Стивен Уильям (р.1942) – английский физик-теоретик
Холдейн Джон Бердон Сандерсон (1892-1964) – английский биолог и генетик
Цвейг Джордж (р.1937) – американский физик и нейробиолог
Чандрасекар Субрахманьян (1910-1995) – индо-амер. физик-теоретик и астрофизик
Чермак Эрих (1871-1962) – австрийский биолог и генетик
Четвериков Сергей Сергеевич (1880-1959) – российский биолог и генетик
Чижевский Александр Леонидович (1897-1964) – российский ученый и философ
Шарден Тейяр де (1881-1955) – французский священник, биолог и палеонтолог
Шван Теодор (1810-1882) – немецкий биолог
Швардцшильд Карл (1873-1916) – немецкий физик и астроном
Швингер Джулиус Сеймур (1918-1994) – американский физик
Шлейден Маттиас Якоб (1804-1881) – немецкий ботаник
Шредингер Эрвин (1887-1961) – австрийский физик-теоретик
Эвери Освальд Теодор (1877-1955) – американский биохимик, молекулярный биолог
Энгельс Фридрих (1820-1895) – немецкий философ-материалист
Энглер Франсуа ( р.1932) – бельгийский физик-теоретик
Эйнштейн Альберт (1879-1955) – немецко-американский физик-теоретик и философ
Эпикур (341-270 до н.э.) – древнегреческий философ-материалист
Юри Гарольд Клейтон (1893-1981) – американский физико-химик
97
Некоторые физические постоянные и величины
Скорость звука в воздухе при 0 0С и атм. давлении = 0.331 км/с
Первая космическая скорость = 7.93 км/с
Вторая космическая скорость = 11.16 км/с
Скорость света в вакууме с = 299 790 км/с
Световой год = 9.46×1015 км ≈ 10 000 млрд км
Парсек (расстояние, которое проходит свет за 3.26 года)
1 пк = 3.08×1013 км = 206 265 а.е
Расстояние от Земли до Солнца (астрономическая единица)
1 а.е.= 149 600 000 км
Расстояние от Земли до Луны ≈ 384 400 км
Радиус Солнца Rc= 690 000 км
Радиус Земли = 6 371км
Масса Вселенной ≈ 1055кг ≈ 1025 Мс
Масса Метагалактики ≈ 1021 Мс
Масса нашей Галактики ≈ 1011 Мс
Масса Солнца Мс = 1.989×1030 кг
Масса Земли = 5.9×1024 кг
Масса Луны = 7.35×1022 кг
Постоянная Планка
h ═ 6.6×10-27 эрг×с ═ 6.6×10-34 Дж×с
(ħ ═ h/2π ═ 1.054×10-27 эрг×с)
Гравитационная постоянная G ═ 6.6×10-11 Н×м²/кг² (1 эВ ═ 1.6×10-19 Дж)
Атомная единица массы (а.е.м.) = 1.66×10-27кг = 931.5 Мэв
Масса покоя электрона = 9.1×10-31кг
Масса покоя протона = 1.67×10-27кг
Масса атома водорода = 1.008 а.е.м
Масса атома дейтерия = 2.014 а.е.м
Масса атома гелия =4.002 а.е.м
Энергия покоя электрона = 0.511 МэВ
Энергия покоя протона = 938.2 МэВ
Заряд электрона = 1.6×10-19 Кл
Радиус электрона < 10-16 см
Радиус протона ≈ 0.88×10-13 см
Радиус первой боровской орбиты = 0.529×10-8 см
1 электронвольт (эВ) ═ 1.6×10-19 Дж
1 мегаэлектронвольт (МэВ) = 106 эВ
1 гигаэлектронвольт (ГэВ) ═ 109 эВ
1 мм = 10-3 м (миллиметр)
1 мкм = 10-6 м (микрометр)
1 нм = 10-9 м (нанометр)
1 Å = 10-10 м (ангстрем)
98
Библиографический список
1.Вишняцкий, Л. Б. Человек в лабиринте эволюции / Л. Б. Вишняцкий. – М. : Весь
мир, 2009. – 156 с.
2.Горелик, Г. Е. Почему пространство трехмерно? / Г. Е. Горелик. – М. : Наука, 1982. –
168 с.
3.Горелов, А. А. Концепции современного естествознания / А. А. Горелов. – М. :
Центр, 2000. – 208 с.
4.Каплан, С. А. Физика звезд / С. А. Каплан. – М. : Наука, 1977. – 208 с.
5.Концепции современного естествознания / С. И. Самыгин [и др.]. – Ростов н/Д :
Феникс, 2001. – 320 с.
6.Концепции современного естествознания : учебник для вузов / В. Н. Лавриненко
[и др.]. – М. : Культура и спорт, ЮНИТИ, 1997. – 271 с.
7.Кохановский, В. П. Философия и методология науки : учебник / В. П. Кохановский.
– Ростов н/Д. : Феникс, 1999. – 576 с.
8.Курашов, В. И. История и философия химии : учебное пособие / В. И. Курашов. –
М. : КДУ, 2009. – 608 с.
9.Курашов, В. И. Начала философии науки : учебное пособие / В. И. Курашов. – М. :
КДУ, 2007. – 447 с.
10.Найдыш, В. М. Концепции современного естествознания : учебник / В. М. Найдыш.
– 3-е изд., перераб. и доп. – М. : Альфа-М; ИНФРА-М, 2007. – 704 с.
11.Новиков, И. Д. Эволюция Вселенной / И. Д. Новиков. – М. : Наука, 1979. – 176 с.
12.Панченко, А. И. Философия, физика, микромир / А. И. Панченко. – М. : Наука,
1988. – 192 с.
13.Пономарев, Л.И. Под знаком кванта / Л. И. Пономарев. – 2-е изд., исправ. и доп. –
М. : Наука, 1989. – 368 с.
14.Потемкин, В. К. Пространство в структуре мира / В. К. Потемкин, А. Л. Симанов. –
Новосибирск: Наука. Сиб. отд-ние, 1990. – 176с.
15.Солодухо, Н. М. Однородность и неоднородность в развитии систем /
Н. М. Солодухо. - Казань : КГУ, 1989. – 176 с.
16.Спиридонов, О. П. Фундаментальные физические постоянные : учеб. пособие для
вузов / О. П. Спиридонов. – М. : Высш. шк., 1991. – 238 с.
17.Стрельник, О. Н. Концепции современного естествознания: пособие для сдачи
экзамена / О. Н. Стрельник. – М. : Юрайт-Издат, 2005. – 224 с.
18.Филиппова, Г. Г. Зоопсихология и сравнительная психология: учеб. пособие для
вузов / Г. Г. Филиппова. – М. : ИЦ «Академия», 2004. – 544 с.
19.Философия науки: учеб. пособие / А. И. Липкин [и др.] ; общ. ред. А. И. Липкина. –
М. : Эксмо, 2007. – 608 с.
20.Хайруллин, К. Х. Философия космизма : научное издание / К. Х. Хайруллин. –
Казань : Дом печати, 2003. – 370 с.
21.Хокинг С. Краткая история времени : От большого взрыва до черных дыр /
С. Хокинг. – СПб. : Амфора, 2005. – 268 с.
22.Чечеткина, И. И. Философские и естественнонаучные представления о материи,
пространстве, времени и движении : учеб. пособие / И. И. Чечеткина. – Казань :
КНИТУ, 2007. – 132 с.
23.Чечеткина, И. И. Философия науки Нового времени: учеб. пособие /
И. И. Чечеткина. – Казань : КНИТУ, 2013. – 188 с.
99
УЧЕБНОЕ ИЗДАНИЕ
Свергузов Анвер Тяфикович
КОНЦЕПЦИИ
СОВРЕМЕННОГО ЕСТЕСТВОЗНАНИЯ
Ответственный за выпуск проф. Н.М.Солодухо
Подписано в печать 31.12.2014
Бумага писчая.
Печать Riso.
6.25 уч.-изд.л.
Тираж 100 экз.
Формат 60х84 1/16
5.81 усл.печ.л.
Заказ 26 «С» 274
Издательство Казанского национального исследовательского
технологического университета
Офсетная лаборатория Казанского национального исследовательского
технологического университета
420015, Казань, К.Маркса, 68
100