Тема: Шпаргалки по естествознанию

• Вид работы:
  Реферат по теме: Шпаргалки по естествознанию
• Предмет:
  Другое
• Когда добавили:
  27.03.2012 12:40:36
• Тип файлов:
  MS WORD
• Проверка на вирусы:
  Проверено - Антивирус Касперского

Другие экслюзивные материалы по теме

• Полный текст:

  1. Естественно научная и гуманитарная культуры

  2. Научный метод

  3. История естествознания

  4. Панорама современного естествознания

  5. Корпускулярная и континуальная концепция

  описания природы

  6. Порядок и беспорядок в природе. Хаос

  7. Структурные уровни организации материи; микро-, макро- и мегамиры

  8 Пространство, время. Принципы относительности.

  Принципы симметрии. Закон сохранения

  9. Взаимодействие, близкодействие, дальнодействие

  10. Состояния

  11. Химические процессы, реакционная способность веществ

  12. Внутренне строение и история геологического

  развития земли

  13. Особенности биологического уровня организации материи

  14. Человек: физиология, здоровье, эмоции, творчество, работоспособность. Биоэтика, человек, биосфера и космические циклы: ноосфера, необратимость времени

  15. Самоорганизация в живой и неживой природе. Принципы универсального эволюционизма

  16. Путь к единой культуре

  
  

  1. Естественно научная и гуманитарная культуры

  
  

  Естественные и гуманитарные науки.  Наука занимается изучением объективно существующих (т.е. существующих независимо от чьего-либо сознания) объектов и явлений природы. Вопрос о том, существует ли окружающий нас мир сам по себе или он является продуктом деятельности  разума (принадлежащего некому высшему существу или каждому конкретному индивиду) составляет суть т.н. основного вопроса философии, классически формулируемом в виде дилеммы о первичности материи или сознания. В зависимости от ответа на основной вопрос философы подразделяются на материалистов (признают объективное существование окружающего нас мира, возникшего в результате саморазвития материи), объективных идеалистов (признают объективное существование мира, возникшего как результат деятельности высшего разума) и субъективных идеалистов. По-видимому невозможно дать экспериментально обоснованного ответа на основной вопрос философии, хотя большинство естествоиспытателей являются приверженцами материалистических концепций.

  Все существующие научные дисциплины условно разделены на две основные группы: естественнонаучные (занимаются изучением объектов природы и явлений, не являющихся продуктом деятельности человека или человечества) и гуманитарные (изучают явления объекты, возникшие как результат деятельности человека).

  Уровни организации материи и иерархия естественно научных знаний. Окружающие нас объекты природы имеют внутреннюю структуру, т.е. в свою очередь сами состоят из других объектов (яблоко  состоит из клеток растительной ткани, которая сложена из молекул, являющихся объединениями атомов и т.д.).  При этом естественным образом возникают различные по сложности уровни организации материи: космический, планетарный, геологический, биологический, химический, физический. Представители естественных наук, занимающиеся изучением объектов какого-либо уровня могут достичь их полного описания лишь основываясь на знаниях более “низкого” (элементарного) уровня. Однако реальные возможности каждого отдельного исследователя весьма. Из-за этого возникло деление естественно научных знаний на отдельные дисциплины, примерно соответствующие вышеперечисленным уровням организации материи: астрономию, экологию, геологию, биологию, химию и физику.  Специалисты, работающие на своем уровне, опираются на знания смежных наук, находящихся ниже по иерархической лестнице. Исключение составляет физика, находящаяся на “самом нижнем этаже” человеческих знаний (“составляющая  их фундамент”): исторически сложилось так,  что в ходе развития этой науки обнаруживались все более “элементарные” уровни организации материи (молекулярный, атомный, элементарных частиц...), изучением которых по-прежнему занимались физики.

  Наука – часть культуры.

  Черты современной науки:

  1.  Наука общезначима, то есть полученные знания пригодны для всех людей на Земле.

  2.  Язык науки – формулы и символы, которые понятны всем вне зависимости от национальности и языка.

  3.  В любом научном исследовании присутствуют элемент незавершенности – Никогда нельзя знать до конца. Нет абсолютной истины!

  4.  Наука внеморальна. Все, что исследуется морально и этически нейтрально. Учёный морален и отвечает за своё исследование.

  5.  Преемственность. Новые знания всегда соотносятся со старыми.

  6.  Наука достоверна: все научные выводы проходят неоднократную теоретическую и практическую проверку.

  В XX-м веке объем научной информации удваивался каждые 10-15 лет, в XXI – 5-8 лет. Бурно сейчас развиваются биология, космонавтика.

  В 1900-м году в мире было 100 тыс. учёных, а в конце XX в. было 5,5 миллионов – 1 из 800 землян.

  Естествознание – это раздел науки, который изучает явления и законы природы.

  Цель естествознания – описать, систематизировать и объяснить природные явления и процессы.

  Концепции – это система взглядов на одну и ту же проблему с разных сторон. Современные концепции – это освещение наиболее перспективных направлений в естествознании.

  Естественные науки – базисный фундамент экономики.

  Естествознание и религия – борьба духовное лидерство. Борьба исторически принимала очень жестокие формы. Преподавателями до XVI века были священнослужители. Первые светские преподаватели – Дарвин, Ломоносов.

  В XVII веке церковь уничтожила более 50000 «еретиков» - ведьм, учёных (алхимиков, астрономов).

  Атеисты считают, что наука и религия несовместимы.

  Наука и религия идут параллельно, у них разные объекты исследования.

  Религия – это вера, объект – душа человека, поэтому обращена она внутрь человека.

  В науке же объектом является реальный мир.

  Требуется, чтобы церковь была отделена от управления государством.

  У любого учёного, даже атеиста, есть вера, вера в то, что он делает, интуиция.

  Суеверия не соотносятся ни с теологией, ни с наукой. Религия изучает догмы, не имеющие развития, в отличие от науки, которая ищет опытным путём и не основывается на вере, на догмах. Суеверия – остатки мистических и мифологических представлений, язычества.

  Естествознание и философия.

  Философский принцип – относительный характер понятий, законов, теорий всех наук, изучающих природу и общество.

  Философское изучение мира в целом. Философские утверждения незыблемы и неопровержимы. Пример: В одну и ту же реку нельзя войти дважды.

  Философия  не требует эксперимента.

  Основные законы природы связывают естествознание с философией:

  ·   Причинно-следственная связь явлений.

  ·   Любая научная истина относительна, но содержит элемент абсолютного.

  ·   Закон перехода из количества в качество.

  Естественнонаучная картина мира – это система важнейших принципов и законов, которыми можно описать окружающий мир в определенный период развития науки.

  
  

  Механистическая картина мира. Никаких случайностей в механистической картине мира не было. Господствовала классическая механика. Религиозная основа, все от Бога. Не существует движения, кроме механического. V<<C. макромир Все механические процессы подчинялись принципу сложного детерминизма. Детерминизм в науке – это точное и однозначное определение состояния любой механической системы. Мир работает как отлаженная система. Детерминизм в обществе – фатализм - предопределенность. Пьер Симеон Лаплас		Электромагнетическая картина мира (Фарадей, Максвелл) Поле		Атомная (квантовая) Øат≈10-10 м Øя ≈10-12 м Скорость различная, близка к скорости света. микромир		Современная картина мира (с 60-х гг. ХХ в.) Информационная картина мира. Основа на самоорганизацию систем, как живых, так и неживых. Синергетика. Самоорганизация основана на вероятностях.
  				Релятивистская теория. Мегамир и микромир Rc≈7∙108 V®C Мир больших скоростей и масс.

  
  
  

   2. Научный метод

  
  

  Предмет естественнонаучного познания и его методы.

  Предмет естественнонаучного познания – постижение истины.

  Предела для естественнонаучного познания не существует, то есть, процесс познания для человека развивается постоянно.

  Истина – это правильное, адекватное отражение объективной действительности в сознании человека.

  Поэтому любая истина объективна, то есть, не зависит от человека.

  Качества:

  1.  Истина относительна, то есть, она отражает объект или явление природы только на данном этапе развития науки. Но любая относительная истина содержит элемент абсолютной, иначе наука не двигалась бы вперед.

  2.  Истина всегда конкретна. Знания об объекте относительны к определенным условиям его существования.

  Критерий истины – практика и эксперимент. Если научная теория подтверждена практикой, то такая теория истинна. Практика включает производительную деятельность!

  Практика – движущая сила научного познания. Она не даёт науке оторваться от реальности.

  Все научное знание, как и истина, всегда относительно, то есть, абсолютного знания не существует.

  Задача любого учёного – расширить интервал адекватности.

  Методы естественнонаучного познания.

  Метод – это совокупность действий и приёмов, с помощью которых достигается желаемых результат. Научный метод – это инструмент для получения научных результатов.

  На каждом уровне научного познания свой метод:

  ·   Эмпирический метод –  наблюдение, измерение, эксперимент.

  ·   Теоретический метод – построение моделей, вывод теорий, аксиома гипотеза.

  Приёмы:

  ·   Анализ (От общего к частному)

  ·   Синтез (От частного к общему)

  ·   Абстрагирование – отвлечение от несущественных свойств изучаемого объекта.

  ·   Индукция – вывод общего на основе частного.

  ·   Дедукция – выделение частного из общего.

  ·   Классификация – разделение объектов на группы по определенным признакам.

  ·   Математические приемы (в частности, статистические).

  Применение математики в естествознании.

  Формализация – это использование специальной символики, которая заменяет конкретные реальные объекты. Формализация в естествознании – математическое описание объектов и явлений.

  Краткость, чёткость, компактность записи, информация в виде математических уравнений.

  Формализация является методом теоретического познания.

  Математика – универсальный язык естествознания.

  Развитие науки определяется внешними и внутренними факторами. К первым относится влияние государства, экономических, культурных, национальных параметров, ценностных установок ученых. Вторые определяют и определяются внутренней логикой и динамикой развития науки. Не всегда первые можно четко отделить от вторых, и тем не менее данное разделение полезно.

  Внутренняя динамика развития науки имеет свои особенности на каждом из уровней исследования. Эмпирическому уровню присущ кумулятивный характер, поскольку даже отрицательный результат наблюдения или эксперимента вносит свой вклад в накопление знаний. Теоретический уровень отличается более скачкообразным характером, так как каждая новая теория представляет собой качественное преобразование системы знания. Новая теория, пришедшая на смену старой, не отрицает ее полностью, но чаще ограничивает сферу ее применимости, что позволяет говорить о преемственности в развитии теоретического знания.

  Вопрос о смене научных концепций является одним из наиболее злободневных в современной методологии науки. В первой половине XX в. основной структурной единицей исследования признавалась теория, и вопрос о ее смене ставился в зависимость от ее верификации (эмпирического подтверждения) или фальсификации (эмпирического опровержения). Главной методологической проблемой считалась проблема сведения теоретического уровня исследований к эмпирическому, что, в конечном счете, оказалось невозможным.

  В начале 60-х годов XX в. американский ученый Т. Кун выдвинул концепцию, в соответствии с которой теория до тех пор остается принятой научным сообществом, пока не подвергается сомнению основная парадигма (установка, образ) научного исследования в данной области. Динамика науки была представлена Куном следующим образом:

  Старая парадигма - нормальная стадия развития науки - революция в науке - новая парадигма.

  Парадигмальная концепция развития научного знания затем была конкретизирована с помощью понятия «исследовательской программы» как структурной единицы более высокого порядка, чем отдельная теория. В рамках исследовательской программы и обсуждается вопрос об истинности научных теорий.

  Еще более высокой структурной единицей является естественнонаучная картина мира, которая объединяет в себе наиболее существенные естественнонаучные представления эпохи.

  Естественнонаучная картина мира

  «Первый шаг — создание из обыденной жизни картины мира — дело чистой науки», — писал выдающийся физик XX в. М. Планк. Исторически первой естественнонаучной картиной мира Нового времени была механическая картина, которая напоминала часы: любое событие однозначно определяется начальными условиями, задаваемыми (по крайней мере, в принципе) абсолютно точно. В таком мире нет места случайности. В нем возможен «демон Лапласа» — существо, способное охватить всю совокупность данных о состоянии Вселенной в любой момент времени, могло бы не только точно предсказать будущее, но и до мельчайших подробностей восстановить прошлое. Представление о Вселенной как о гигантской заводной игрушке преобладало в XVII — XVIII в. в. Оно имело религиозную основу, поскольку сама наука вышла из недр христианства.

  Бог как рациональное существо создал мир в основе своей рациональный, и человек как рациональное существо, созданное Богом по своему образу и подобию, способен познать мир. Такова основа веры классической науки в себя и людей в науку. Отринув религию, человек эпохи Возрождения продолжал мыслить религиозно. Механистическая картина мира предполагала Бога как часовщика и строителя Вселенной.

  Механистическая картина мира основывалась на следующих принципах: 1) связь теории с практикой; 2) использование математики; 3) эксперимент реальный и мысленный; 4) критический анализ и проверка данных; 5) главный вопрос: как, а не почему; 6) нет «стрелы времени» (регулярность, детерминированность и обратимость траекторий).  

  Но XIX в. пришел к парадоксальному выводу: «Если бы мир был гигантской машиной, — провозгласила термодинамика, — то такая машина неизбежно должна была бы остановиться, т. к. запас полезной энергии рано или поздно был бы исчерпан». Затем пришел Дарвин со своей теорией эволюции и произошел сдвиг интереса от физики в сторону биологии.

  Главный результат современного естествознания, по Гейзенбергу, в том, что оно разрушило неподвижную систему понятий XIX в. и усилило интерес к античной предшественнице науки — философской рациональности Аристотеля. «Одним из главных источников аристотелевского мышления явилось наблюдение эмбрионального развития — высокоорганизованного процесса, в котором взаимосвязанные, хотя и внешне независимые события происходят, как бы подчиняясь единому глобальному плану. Подобно развивающемуся зародышу, вся аристотелевская природа построена на конечных причинах.. Цель всякого изменения, если оно сообразно природе вещей, состоит в том, чтобы реализовать в каждом организме идеал его рациональной сущности. В этой сущности, которая в применении к живому есть в одно и то же время его окончательная, формальная и действующая причина, — ключ к пониманию природы» «Рождение современной науки — столкновение между последователями Аристотеля и Галилея — есть столкновение между двумя формами рациональности».

  Итак, можно выделить три картины мира: сущностную преднаучную, механистическую, эволюционную. В современной естественнонаучной картине мира имеет место саморазвитие. В этой картине присутствует человек и его мысль. Она эволюционна и необратима. В ней естественнонаучное знание неразрывно связано с гуманитарным.

  3. История естествознания

  
  

  Опыт развития современного естествознания показывает, что на определенном этапе развития естественно научных дисциплин неизбежно происходит их математизация, результатом которой является создание логически стройных формализованных теорий и дальнейшее ускоренное развитие дисциплины.

  Приближенный характер естественнонаучных знаний.  Несмотря на то, что естественные науки часто называют точными, практически любое конкретное утверждение в них носит приближенный характер. Причиной этого является не только несовершенство измерительных приборов, но и ряд принципиальных ограничений на точность измерений, установленных современной физикой. Кроме того, практически все реально наблюдаемые явления столь сложны и содержат такое множество процессов между взаимодействующими объектами, что их исчерпывающее описание оказывается не только технически невозможным, но и практически бессмысленным (человеческое сознание способно воспринять лишь весьма ограниченный объем информации). На практике исследуемая система сознательно упрощается путем ее замены моделью, учитывающей только самые важные элементы и процессы. По мере развития теории модели усложняются, постепенно приближаясь к реальности.

  Основные этапы развития естествознания могут быть выделены, исходя из различных соображений. По мнению автора, в качестве основного критерия следует рассматривать доминирующий среди естествоиспытателей подход к построению их теорий. При этом оказывается возможным выделение трех основных этапов.

  Естествознание древнего мира. Завершенного деления на дисциплины не существовало, создаваемые концепции в своем большинстве носили мировоззренческий характер. Экспериментальный метод познания в принципе допускался, но роль решающего критерия истинности эксперименту не отводилась. Верные наблюдения и гениальные обобщающие догадки сосуществовали с умозрительными и часто ошибочными построениями.

  Система мира античных философов

  Одним из выдающихся древнегреческих мыслителей был Гераклит Эфесский. Это ему принадлежат слова: "Мир, единый из всего, не создан никем из богов и никем из людей, а был, есть и будет вечно живым огнем, закономерно воспламеняющимся и закономерно угасающим..." Гераклит выдвинул замечательный принцип веч­ной изменчивости материи, идею о вечном обмене веществ между небом и Землей. Тогда же Пифагор Самосский высказал мысль о том, что Вселенная имеет вид концентрических, вложенных друг в друга прозрачных хрустальных сфер, к которым будто бы прикреплены планеты. В центре мира в этой модели помещалась Земля, вокруг нее вращались сферы Луны, Меркурия, Венеры, Солнца, Марса, Юпитера и Сатурна. Дальше всех находилась сфера неподвижных звезд.

  В дальнейшем развитии мировоззрения большую роль сыграла математическая программа Пифагора—Платона. Платон полагал, что основой мира являются огонь, воздух, вода, земля. Пифагор и его последователи высказали мысль о шарообразности Земли: Земля — сфера, подобная самой себе во всех направлениях; она не имеет ни верха, ни низа. Пифагор также обратил внимание на то, что Солнце совершает полный оборот в течение года по эклиптике в направлении, противоположном суточному вращению звездного неба, которое представлялось сферой, окружающей Землю. Платон высказал предположение, что земля находится в центре мира, что вокруг нее обращается Луна, Солнце, далее — утренняя звезда Венера, звезда Гермеса (Меркурий), звезды Ареса, Зевса и Кронуса (Марс, Юпитер и Сатурн).

  Усовершенствованием системы мира Евдокса занялся ученик Платона Аристотель (384—322 гг. до н. э.). Учение Аристотеля, которое отрицало пустоту (вакуум) в природе, считало, что материальная субстанция беспредельно делима, и разграничивало "земное" и "небесное". Земля, по его представлениям, есть мир тленный, где происходит постоянный круговорот — рождение и смерть, произрастание а увядание; небо, наоборот, усеяно светилами, состоящими т одного эфира — нетленного элемента; все светила являются поэтому вечными и совершенными. Аристотель, вслед за философом Эмпедоклом (ок. 490—430 гг. до н. э.), предположил существование четырех "стихий": земли, воды, воздуха и огня, из смешения которых будто бы произошли все тела, встречающиеся на Земле. По Аристотелю, стихии вода и земля естественным образом стремятся двигаться к центру мира ("вниз"), тогда как огонь и воздух движутся "вверх" к периферии и тем быстрее, чем ближе они к своему "естественному" месту. Поэтому в центре мира находится Земля, над ней расположены вода, воздух и огонь.

  Представления Аристотеля о естественных и насильственных движениях тел господствовали в науке в течение многих столетий — вплоть до XVI —XVII вв., когда возникла механика Галилея — Ньютона.

  Большое влияние на становление реалистической картины мира оказала также атомистическая физическая программа Демокрита — Эпикура. Основателями атомистики в древней Греции считаются Левкипп и его знаменитый ученик Демокрит. По мнению этих философов, возникновение живого — естественный процесс, результат природных сил, а не "акта творения" внешних сил. Согласно Левкиппу и Демокриту, в мире есть лишь два "начала" — пустота (небытие) и атомы (бытие).

  Гераклид Понтийский предполагал, что Земля движется "по вращательной, около своей оси, наподобие колеса, с запада на восток вокруг собственного центра". Он высказал также мысль, что орбита Венеры и Меркурия являются окружностями, в центре которых находится Солнце. Вместе с Солнцем эти планеты будто бы и обраща­ются вокруг Земли.

  В Средневековье надолго затормозилось развитие науки. Системы мира Аристотеля и Птолемея были признаны согласными с религиозной идеологией. Основа христианской религии — тезис искупления (пришествие на Землю бога для спасения людей) гармонировал с представлением об исключи­тельном положении Земли как центра мира.

  Значительным шагом вперед было геологическое учение Ибн-Сины (Авиценны). Впервые в истории науки он открыл закон последовательности залегания осадочных пород. Это открытие послужило отправным пунктом для формулировки Авиценной более общей научной концепции — учения об эволюции земной коры.

  У различных ученых начинают намечаться попытки нового подхода к объяснению небесных явлений, пока, наконец, польский мыслитель Николай Коперник не сделал великого шага к созданию нового мировоззрения, давшего толчок мощному развитию астрономии как науки. Великое свое творение Коперник изложил в книге "Об обращениях небесных сфер", появление которой относится к 1543 г., т. е. к году смерти Коперника, и составляет результат многолетних его работ.

  Другим выдающимся последователем Н. Коперника, старшим современником Галилея и Кеплера, был Джордано Бруно. Он выдвинул идею множественности миров, которую можно трактовать как принцип эквивалентности разных мест во Все­ленной, имеющей фундаментальное методологическое значение и в современной космологии. Основная идея натурфилософии Д. Бруно — бесконечность и однородность Вселенной и неисчислимость миров — звезд, тождественных по своей природе с Солнцем.

  Галилей и Кеплер, отталкиваясь от динамических и кине­матических законов Аристотеля, переосмысливали его механику и в итоге перехода от геоцентризма к гелиоцентризму пришли к своим кинематическим законам. Эти законы предопределили принципиально единую для земных и небесных тел механику Ньютона со всеми сформированными им классическими закона механики, включая универсальный закон всемирного тяготения. Галилей, рассматривая движение свободного падение тел первым ввел понятие инерции и сформулировал принцип относительности для механических движений, известный как принцип относительности Галилея.

  Решающий вклад в становление механики внес И. Ньютон. Стройную логическую систему научной картины мира придали законы механики, разработанные Исааком Ньютоном и изложенное в его гениальной работе "Математические начала натуральной философии" (1687). Ньютон внес в научную картину мира не только новое содержание, но и принципиально новый стиль однозначного объяснения природы. Ньютон создал основы теории гравитационного поля, он вывел закон тяготения.

  4. Панорама современного естествознания

  
  

  Современное естествознание характеризуется лавинообразным накоплением нового фактического материала и возникновением множества новых дисциплин на стыках традиционных. Резкое удорожание науки, особенно экспериментальной. Как следствие - возрастание роли теоретических исследований, направляющих работу экспериментаторов в области, где обнаружение новых явлений более вероятно. формулировка новых эвристических требований к создаваемым теориям: красоты, простоты, внутренней непротиворечивости, экспериментальной проверяемости, соответствия (преемственности). Роль эксперимента, как критерия истинности знания, сохраняется, но признается, что само понятие истинности не имеет абсолютного характера: утверждения, истинные при определенных условиях, при выходе за границы, в рамках которых проводилась экспериментальная проверка, могут оказаться приближенными и даже ложными. Современное естествознание утратило присущую классическим знаниям простоту и наглядность. Это произошло главным образом из-за того, что интересы современных исследователей из традиционных для классической науки областей переместились туда, где обычный “житейский” опыт и знания об объектах и происходящих с ними явлениях в большинстве случаев отсутствуют.

  Одним из наиболее трудных и в то же время интересных в современном естествознании является вопрос о происхождении жизни. Он труден потому, что, когда наука подходит к проблемам развития как создания качественно нового, она оказывается у предела своих возможностей как отрасли культуры, основанной на доказательстве и экспериментальной проверке утверждений.

  Ученые сегодня не в состоянии воспроизвести процесс возникновения жизни с такой же точностью, как это было несколько миллиардов лет назад. Даже наиболее тщательно поставленный опыт будет лишь модельным экспериментом, лишенным ряда факторов, сопровождавших появление живого на Земле. Трудность ме­тодологическая — в невозможности проведения прямого эксперимента по возникновению жизни (уникальность этого процесса препятствует использованию основного научного метода).

  Что такое живое и чем оно отличается от неживого. Есть несколько фундаментальных отличий в вещественном, структурном и функциональном планах. В вещественном плане в состав живого обязательно входят высоко упорядочные макромолекулярные органические соединения, называемые биополимерами, — белки и нуклеиновые кислоты (ДНК и РНК). В структурном плане живое отличается от неживого клеточным строением. В функциональном плане для живых тел характерно воспроизводство самих себя. Устойчивость и воспроизведение есть и в неживых системах. Но в живых телах имеет место процесс самовоспроизведения. Не что-то воспроизводит их, а они сами. Это принципиально новый момент.

  Также живые тела отличаются от неживых наличием обмена веществ, способностью к росту и развитию, активной регуляцией своего состава и функций, способностью к движению, раздражимос­тью, приспособленностью к среде и т. д. Неотъемлемым свойством живого является деятельность, активность.

  Однако строго научное разграничение живого и неживого встречает определенные трудности. Имеются как бы переходные формы от нежизни к жизни. Так, например, вирусы вне клеток другого В зависимости от того, какой признак мы считаем самым важным, мы относим вирусы к живым системам или нет.

  Концепции возникновения жизни

  Существует пять концепций возникновения жизни: 1) креационизм — божественное сотворение живого; 2) концепция многократного самопроизвольного зарождения жизни из неживого вещества (ее при­держивался еще Аристотель, который считал, что живое может возникать и в результате разложения почвы); 3) концепция стационарного состояния, в соответствии с которой жизнь существовала всегда; 4) концепция панспермии — внеземного происхождения жизни; 5) концепция происхождения жизни на Земле в историчес­ком прошлом в результате процессов, подчиняющихся физическим и химическим законам.

  Жизнь возможна только при определенных физических и химических условиях (температура, присутствие воды, солей и т. д.). Прекращение жизненных процессов, например, при высушивании семян или глубоком замораживании мелких организмов, не ведет к потере жизнеспособности. Если структура сохраняется неповрежденной, она при возвращении к нормальным условиям обеспечивает восстановление жизненных процессов.

  Также и для возникновения жизни нужны определенные диапазоны температуры, влажности, давления, уровня радиации, определенная направленность развития Вселенной и время.

  Как показывает синергетика, энергия имела для возникновения жизни не меньшее значение, чем вещество. Разумно предположить, считает И. Пригожий, что некоторые из первых стадий эволю­ции к жизни были связаны с возникновением механизмов, способных поглощать и трансформировать химическую энергию, как бы выталкивая систему в сильно неравновесные условия. Неравновесные структуры — переход к живому, но еще нет воспроизводства. Итак, в образовании органических соединений большую роль играло не только вещество космического пространства, но и энергия звезд.

  В окружающем нас пространстве материя существует в форме вещества и поля. Вещество в природе находится в виде различных структур, которые определяют строение и свойства окружающего нас материального мира. Слово "строение" в данном случае отражает лестницу объектов, качественно отличающихся или характеризующихся степенью сложности.

  Окружающий нас мир современная наука разделяет на три области: микромир, макромир и мегамир. Это стало возможным в результате многовекового изучения природы человеком. Микромир — это область природы, доступная человеку через посредство приборов (микроскопы, рентгеноанализ, микроанализ и др.). Закономерности здесь для нас непонятны, и мы экстраполируем сюда наши понятия. Макромир — это область природы, доступная нам, т. е. об­ласть наших закономерностей. Мегамир нам трудно доступен; это область крупных объектов, больших размеров и расстояний между ними. Эти закономерности мы изучаем опос­редованно. В этих областях имеется следующая иерархия объектов: микромир — это вакуум, элементарные частицы,' ядра, атомы, молекулы, клетки; макромир — это макротела (твердые тела, жидкости, газы, плазма), индивид, вид, популяция, сообщество, биосфера; мегамир — это планеты, звезды, галактики, Метагалактика, Вселенная.

  Неклассическая наука

  К концу XX века мир потерял свою веру в науку, она безвозвратно утратила свой прежний незапятнанный облик, как оставила и свои прежние заявления об абсолютной непогрешимости сво­его знания. Такая же кризисная ситуация сложилась и в других сферах человеческой культуры. Поиск путей выхода из этого глобального кризиса еще только идет, черты будущего постмодернистского мировоззрения, как и новой постнеклассической науки, еще только намечаются.

  Нынешнее состояние науки, как и других сфер культуры, характеризуется понятием «постмодерн» - в противовес модернистским представлениям - классической и со­временной науке.

  По мнению большинства отечественных ученых-науковедов, будущая наука будет обладать следующими чертами.

  1.   Прежде всего, наука должна будет осознать свое место в общей системе человеческой культуры и мировоззрения. Постмодернизм принципиально отвергает выделение какой-то одной сферы человеческой деятельности или одной черты в мировоззрении в качестве ведущей.

  2. Модернистское естествознание и наука - монологические формы знания: интеллект созерцает вещь и высказывается о ней.

  3. В основе постмодерна лежит идея глобального эволюцио­низма - всеединой, нелинейной, самоизменяющейся, самоорганизующейся, саморегулирующейся системы, в недрах которой возникают и исчезают целостности от физических полей и элемен­тарных частиц до биосферы и более крупных систем.

  4. Важной чертой постнеклассической науки должна будет стать комплексность - стирание граней и перегородок между традиционно обособленными естественными, общественными и техническими науками, интенсификация междисциплинарных исследований, невозможность разрешения научных про­блем без привлечения данных других наук.

  5. Модернистское знание было предпосылкой подготовки субъекта познания и предпосылкой практической производственной деятельности. Сегодня знание - предпосылка производства и воспроизводства человека как субъекта исторического процесса, как личности, как индивидуальности.

  Это лишь отдельные черты будущей науки, создающейся сейчас, на наших глазах. Результат, очевидно, будет достигнут только в XXI веке.

   5. Корпускулярная и континуальная концепция

  описания природы

  
  

  Микромир образуют микрочастицы, которыми являют элементарные частицы (электроны,  протоны, нейтрон фотоны и другие простые частицы), а также сложные частицы, образованные из сравнительно небольшого числа элементарных частиц (молекулы, атомы, ядра атомов и т. п.). Термин "микрочастица" отражает только одну сторону объекта, к которому он применяется. Всякий микрообъект (молекула, атом, электрон, фотон и т. д.), представляет собой образование особого рода, сочетающее в себе свойства частицы и волны. Может быть, правильнее было бы называть его "частицей-волной". Микрообъект не способен воздействовать непосредственно на наши органы чувств — ни видеть, ни осязать его нельзя. Ничего подобного микрообъектам в воспринимаемом нами мире не существует. Микротела ни похожи ни на что из того, что нам хоть когда-нибудь приходилось видеть.

  Раз поведение атомов так непохоже на наш обыденный опыт, то к нему очень трудно привыкнуть. И новичку в науке, и опытному физику — всем оно кажется, своеобразны и туманным. Даже большие ученые не понимают его на столько, как им хотелось бы, и это совершенно естественно, потому что весь непосредственный опыт человека, вся е го интуиция — все прилагается к крупным телам. Мы знаем что будет с большим предметом; но именно так мельчайшие тельца не поступают. Поэтому, изучая их, приходится при бегать к различного рода абстракциям, напрягать воображение и не пытаться связывать их с нашим непосредственны опытом. В до квантовой физике "понять" означало составить себе наглядный образ объекта или процесса. Квантовую физику нельзя понять в таком смысле слова. Всякая наглядная модель неизбежно будет действовать по классическим законам и поэтому непригодна для представления квантовых процессов. Поэтому самое правильное, что можно сделать, — но отказаться от попыток строить наглядные модели поведения квантовых объектов. Отсутствие наглядности понача­лу может вызвать чувство неудовлетворенности, но со временем это чувство проходит, и все становится на свои места.

  В первое время физики были поражены необычными свойствами тех мельчайших частиц материи, которые они изучали в микромире. Попытки описать, а тем более объяснить свойства микрочастиц с помощью понятий и принципов классической физики потерпели явную неудачу. Поиски новых понятий и методов объяснения, в конце концов, привели к возникновению новой квантовой механики, в окончательное построение и обоснование которой значительный вклад внесли Шредингер, Гейзенберг, М. Борн. В самом начале эта механика была названа волновой в противоположность обычной механике, которая рассматривает свои объекты как состоящие из корпускул, или частиц. В дальнейшем для механики микрообъектов утвердилось название квантовой механики.

  Для облегчения понимания корпускулярно-волновой природы микрочастиц полезно рассмотреть такую же двойственную природу поведения электромагнитных волн, в частности, света. В результате углубления представлений о природе света выяснилось, что в оптических явлениях обнаруживается своеобразный дуализм. Наряду с такими свойствами света, которые самым непосредственным образом свидетельствуют о его волновой природе (интерференция, дифракция), имеются и другие свойства, столь же непосредственно обнаруживающие его корпускулярную природу (фотоэффект, явление Комптона). Рассмотрим их.

  Фотоэлектрическим эффектом, или фотоэффектом, называется испускание электронов веществом под действием света. В 1905 г. А. Эйнштейн показал, что все закономерности фотоэффекта легко объясняются, если предположить, что свет поглощается такими же порциями (квантами) энергии, какими он, по предположению Планка, испускается. По мысли Эйнштейна, энергия, полученная электроном, доставляется ему в виде кванта, который усваивается им целиком. Часть этой энергии, равная работе выхода, т. е. наименьшей энергии, необходимой электрону, чтобы удалиться из тела в вакуум, затрачивается на то, чтобы электрон мог покинуть тело. Остаток энергии образует кинетическую энергию электрона, покинувшего вещество. В этом случае должно выполняться соотношение,  которое называется формулой Эйнштейна. Отсюда вытекает, что в случае, когда работа выхода превышает энергию кванта, электроны не могут покинуть металл. Следовательно, для возникновения фотоэффекта необходимо, чтобы энергия кванта была больше работы выхода. Частота, ниже которой не наблюдается фотоэффект, называется красной границей фотоэффекта. Эйнштейн выдвинул гипотезу, что свет распространяется в виде дискретных частиц, названных световыми квантами. Впоследствии эти частицы получили название фотонов. Энергия фотона определяется его частотой, масса покоя фотона равна нулю, и фотон всегда движется со скоростью света. Сказанное означает, что фотон представляет собой частицу ^-особого рода, отличную от таких частиц, как электрон, протон и т. п., которые могут существовать, двигаясь со скоростями, меньшими скорости света, и даже покоясь.

  Особенно отчетливо проявляются корпускулярные свойства света в явлении, которое получило название эффекта Комптона. В 1923 г. А. Комптон, исследуя рассеяние рентгеновских лучей различными веществами, обнаружил, что в рассеянных лучах наряду с излучением первоначальной длины волны содержатся также лучи большей длины волны. Разность между этими длинами волн оказалась зависящей только от угла, образуемого направлением рассеянного излучения с направлением первичного пучка. От первоначальной дины волны и от природы рассеивающего вещества разность длин волн не зависит. Все особенности эффекта Комптона можно объяснить, рассматривая рассеяние как процесс упругого столкновения рентгеновских фотонов с практически свободными электронами. Свободными можно считать слабее всего связанные с атомами электроны, энергия связи которых значительно меньше той энергии, которую фотон может передать электрону при соударении.

  Таким образом, мы рассмотрели ряд явлений, в которых свет ведет себя как поток частиц (фотонов). Однако не надо забывать, что такие явления, как интерференция и дифракция света, могут быть объяснены только на основе волновых представлений. Таким образом, свет обнаруживает корпускулярно-волновой дуализм (двойственность): в одних явлениях проявляется его волновая природа, и он ведет себя как электромагнитная волна, в других явлениях проявляется корпускулярная природа света, и он ведет себя как поток фотонов.

  Новый радикальный шаг в развитии физики был связан с распространением корпускулярно-волнового дуализма на мельчайшие частицы вещества — электроны, протоны, нейтроны и другие микрообъекты. В классической физике вещество всегда считалось состоящим из частиц, и потому волновые свойства казались явно чуждыми ему.

  Сочетая в себе свойства частицы и волны, микротела не ведут себя ни как волны, ни как частицы. Отличие микрочастицы от волны заключается в том, что она всегда обнаруживается как неделимое целое. Никто никогда не наблюдал, например, пол-электрона. В то же время волну можно раз­делить на части (например, направив световую волну на полупрозрачное зеркало) и воспринимать затем каждую часть в отдельности. Отличие микрочастицы от привычной нам макрочастицы заключается в том, что она не обладает одновременно определенными значениями координаты и импульса, вследствие чего понятие траектории применительно к мик­рочастице утрачивает смысл.

  Таким образом, электрон, протон, атомное ядро представляют собой частицы с весьма своеобразными свойствами. Обычный шарик, даже и очень малых размеров (макроскопическая частица), не может служить прообразом микрочастицы. С уменьшением размеров начинают проявляться качественно новые свойства, не обнаруживающиеся у микрочастиц. Однако при определенных условиях понятие траектории оказывается приближенно применимым к движению микрочастиц, подобно тому, как оказывается справедливым закон прямолинейного распространения света.

  6. Порядок и беспорядок в природе. Хаос

    Рассмотрим кинетическую энергию совокупности частиц. Если вдруг окажется, что все частицы движутся в одном и том же направлении с одинаковыми скоростями, то вся  система, подобно теннисному мячу, будет находиться в состоянии полета. Система ведет себя в этом случае аналогично одной массивной частице, и к ней применимы обычные законы динамики, такое движение называется движением центра масс. Существует, однако, и другой вид движения. Можно представить себе, что частицы системы движутся не упорядоченно, а хаотически: полная энергия системы может быть той же самой, что и  в первом случае, но теперь отсутствует результирующее движение, поскольку направления и скорости движения атомов беспорядочны. Если бы мы могли проследить за какой-либо отдельной частицей, то увидели бы, что она проходит небольшое расстояние вправо, затем, соударяясь с соседней частицей, смещается немного влево, снова соударяется и т. д. Основная  черта этого  вида движения состоит в отсутствии корреляции между движениями различных частиц; иными словами, их движения некогерентны (неупорядочены). Описанное случайное, хаотическое, некоррелированное, некогерентное, неупорядоченное движение называется тепловым  движением. Очевидно, понятие теплового движения неприменимо к отдельной частице, поскольку бессмысленно говорить о некоррелированном движении одной частицы. Иными словами, когда мы переходим от рассмотрения движения отдельной частицы к системам многих частиц и при этом возникает вопрос о наличии корреляций в их движениях, мы по существу переходим от обычной динамики в новую область физики, которая называется термодинамикой. Итак, существует два вида движения частиц в сложных системах: движение может быть когерентным (упорядоченным), когда все частицы движутся согласованно (“в ногу”), или, напротив, неупорядоченным, когда все частицы движутся хаотически. Естественное стремление энергии к рассеянию определяет и направление, в котором происходят физические процессы в природе. Под этим понимается рассеяние энергии в пространстве, рассеяние частиц, обладающих энергией, и потеря упорядоченности, свойственное движению этих частиц. Первое начало термодинамики в принципе не отрицает возможности событий, казалось бы противоречащих здравому смыслу и повседневному опыту: например, мяч  мог бы начать подскакивать за счет своего охлаждения, пружина могла бы самопроизвольно сжаться, а кусок железа мог бы самопроизвольно стать более горячим, чем окружающее пространство. Естественные процессы - это всегда процессы, сопровождающие рассеяние, диссипацию энергии. Отсюда становится ясным, почему горячий объект охлаждается до температуры  окружающей  среды, почему упорядоченное движение уступает место неупорядоченному и, в частности, почему механическое движение вследствие трения полностью переходит в тепловое. Организация создается из хаоса (общества) одним или несколькими возбужденными атомами  (предпринимателями) и в хаос проваливается при ликвидации. Естественные, самопроизвольно происходящие процессы - это переход от порядка к хаосу. Газ — это облако случайно движущихся частиц (само название “газ”  происходит от того же корня, что  и  “хаос”). Частицы мчатся во всех направлениях, сталкиваясь и отталкиваясь друг от друга после каждого столкновения. Движения и столкновения приводят к быстрому рассеиванию облака, так что вскоре оно  равномерно распределяется  по  всему  доступному пространству. В химии, как и в физике, все естественные изменения вызваны бесцельной “деятельностью” хаоса. Мы познакомились с двумя важнейшими достижениями  Больцмана: он установил, каким образом хаос определяет направление изменений и как он устанавливает  скорость этих изменений. Мы убедились также в том, что именно непреднамеренная и бесцельная деятельность хаоса переводит мир в состояния, характеризующиеся все большей вероятностью. На этой основе можно объяснить не только простые физические изменения (скажем, охлаждение куска металла), но и сложные изменения, происходящие при превращениях вещества. Но вместе с тем мы обнаружили, что хаос может приводить к порядку. Если дело касается физических изменений, то под этим понимается совершение работы, в результате которой в свою очередь могут возникать сложные структуры, иногда огромного масштаба. При химических изменениях порядок также рождается из хаоса; в этом случае, однако, под порядком понимается такое расположение атомов, которое осуществляется на микроскопическом уровне. Но при любом масштабе порядок может возникать за счет хаоса; точнее говоря, он создается локально за счет возникновения неупорядоченности где-то в ином месте Эволюцию динамических систем во времени оказалось удобным анализировать с помощью фазового пространства — абстрактного пространства с числом измерений, равным числу переменных, характеризующих состояние системы Примером может  служить  пространство, имеющее в качестве своих координат координаты и скорости всех частиц системы. Для линейного гармонического осциллятора (одна степень свободы) размерность фазового пространства равна двум (координата и скорость колеблющейся  частицы). Такое фазовое пространство есть плоскость, эволюция системы соответствует непрерывному изменению координаты и скорости, и точка, изображающая состояние системы, движется по фазовой траектории. Фазовые траектории такого маятника (линейного гармонического осциллятора), который колеблется без затухания, представляют собой эллипсы Закон сохранения и превращения энергии (первое начало термодинамики), в принципе, не  запрещает такого перехода, лишь бы количество энергии сохранялось в прежнем объеме. Но в реальности  это никогда не происходит. Данную односторонность, однонаправленность перераспределения энергии в замкнутых системах и подчеркивает второе начало термодинамики. Для отражения этого процесса в термодинамику было введено новое понятие - "энтропия". Под энтропией стали понижать меру беспорядка системы. Более точная формулировка второго начала термодинамики приняла такой вид: при самопроизвольных процессах в системах, имеющих постоянную энергию, энтропия всегда возрастает. Физический смысл возрастания энтропии сводится к тому, что состоящая из некоторого множества частиц изолированная (с постоянной энергией) система стремится перейти в состояние с наименьшей упорядоченностью движения частиц. Это и есть наиболее простое состояние системы, или термодинамическое равновесие, при котором движение частиц хаотично. Максимальная энтропия означает полное термодинамическое равновесие, что эквивалентно хаосу. Однако, исходя из теории изменений Пригожина, энтропия - не просто безостановочное соскальзывание системы к состоянию, лишенному какой бы то ни было организации. При  определенных условиях энтропия становится прародительницей порядка.
  

  7. Структурные уровни организации материи; микро-, макро- и мегамиры

  
  

  Микромир

  Вакуум. По представлениям современной науки, вакуум — это отнюдь не пустота или "отсутствие всякого присутствия". Вакуум представляет собой физический объект, в котором непрерывно происходит рождение и уничтожение виртуальных частиц. Вакуум является динамической системой, обладающей какой-то энергией, которая все время перераспределяется между виртуальными (воображаемыми) частицами.

  Элементарные частицы. По современным представлениям все элементарные частицы являются наименьшими "кирпичиками", из которых создан окружающий мир. Однако это не означает, что их свойства просты. Для описания поведения элементарных частиц используют наиболее сложные физические теории, представляющие синтез теории относительности и квантовой теории.

  Все известные элементарные частицы подразделяются на две группы: адроны и лептоны. Предполагается, что адроны имеют составное строение: состоят из истинно элементарных частиц-кварков. И причем допускается существование шести типов кварков.

  Частица и соответствующая ей античастица имеют одинаковые времена жизни, одинаковые массы, их электрические заряды равны, но противоположны по знаку. Самым характерным свойством пары частица-античастица является способность аннигилировать (самоуничтожаться) при встрече с превращением в частицы другого рода. Античастицы могут собираться в антивещество. Частицы и их античастицы одинаково взаимодействуют с полем тяготения, что указывает на отсутствие "антигравитации".

  Ядра. Атомные ядра — это связанные системы протонов и нейтронов. Массы ядер всегда несколько меньше суммы масс свободных протонов и нейтронов, составляющих ядро. Это релятивистский эффект, определяющий энергию связи ядра. Ядро как квантовая система может находиться в различных дискретных возбужденных состояниях. В основном состоянии ядра могут быть стабильными (устойчивыми) и нестабильными (радиоактивными).

  Атомы. Они состоят из плотного ядра и электронных орбит. Ядра имеют положительный электрический заряд и окружены слоем отрицательно заряженных электронов. В целом атом электрона нейтрален. Атом есть наименьшая структурная единица химических элементов. В отличие от "плотной упаковки" ядерных частиц, атомные электроны образуют весьма рыхлые и ажурные оболочки.

  Молекулы. Не всякие атомы способны соединяться друг с другом. Связь возможна в том случае, если совместная орбита целиком заполнена электронами. Такое образование называют молекулой. Молекула есть наименьшая структурная единица сложного химического соединения. Число возможных, комбинаций атомов, определяющих число химических со­единений, составляет миллионы. Качественно молекула — это определенное вещество, состоящее из одного или нескольких химических элементов, атомы которых за счет обменного химического взаимодействия объединены в частицы.

  Клетка. За 3 млрд. лет существования на нашей планете живое вещество развилось в несколько миллионов видов, но все они — от бактерий до высших животных — состоят из клеток. Клетка — это организованная часть живой материи: она усваивает пищу, способна существовать и расти, может разделиться на две, каждая из которых содержит генетический материал, идентичный исходной клетке. Клетки служат элементарными структурами на онтогенетическом vровне организации жизни. Клетка состоит из ядра и цитоплазмы.

  Макромир

  Макротела (вещество). При определенных условиях однотипные атомы и молекулы могут собираться в огромные совокупности — макроскопические тела (вещество). Вещество — вид материи; это то, из чего состоит весь окружающий мир. Вещества состоят из мельчайших частиц — атомов, молекул, ионов, элементарных частиц, имеющих массу и находящихся в постоянном движении и взаимодействии. Существует огромное множество веществ, различных по составу и свойствам. Вещества делятся на простые, сложные, чистые, неорганические и органические. Свойства веществ можно объяснить и предсказать на основе их состава и строения.

  Вещество чистое — вещество, состоящее из одинаковых частиц (молекул, атомов, ионов), обладающее определенными специфическими свойствами. Для очистки веществ от примесей используют различные методы: перекристаллизацию, дистилляцию, фильтрование.

  Вещества неорганические — это химические соединения, образуемые всеми химическими элементами (кроме соединений углерода, относящихся к органическим веществам), органические вещества образуются на Земле и в космосе под воздействием природных физико-химических факторов. Они образуют практически всю литосферу, гидросферу и атмосферу Земли. Вещества органические — это соединения углерода с некоторыми другими элементами: водородом, кислородом, азотом, серой.

  Индивид. Жизнь всегда представлена в виде дискретных индивидуумов. Это в равной мере присуще микроорганизмам, растениям, грибам и животным, хотя в указанных царствах индивиды имеют различное морфологическое содержание. Так, одноклеточные состоят из ядра, цитоплазмы, множества органелл и мембран, макромолекул и т. д. Сложность индивидуума у многоклеточных во много раз выше, поскольку он образован из миллионов и миллиардов клеток.

  Вид. Сущность биологической концепции вида заключается в признании того, что виды реальны, состоят из популяций, а все особи вида имеют общую генетическую программу, которая возникла в ходе предшествующей эволюции. Виды определяются не столько различиями, сколько обособленностью. Наиболее существенной характеристикой вида является то, что он представляет собой генетически единую систему. Таким образом, вид — совокупность географически и экологически близких популяций, способных в природных условиях скрещиваться между собой, имеющих единый генетический фонд, обладающих общими морфофизиологическими признаками, биологически изолированных от популяций других видов.

  Популяция. Совокупность особей одного вида, длительно населяющих определенное пространство, размножающихся путем свободного скрещивания и в той или иной степени изолированных друг от друга, называют популяцией. В генетическом смысле популяция — это пространственно-временная группа скрещивающихся между собой особей одного вида. Популяция является элементарной биологической структурой, способной к эволюционным изменениям.

  Биосфера. Взаимосвязь разных сообществ, обмен между ними веществом и энергией позволяют рассматривать все живые организмы Земли и среду их обитания как одну очень протяженную и разнообразную экосистему — биосферу. Биосфера — те части земных оболочек (лито-, гидро- и атмосферы), которые на протяжении геологической истории подвергались влиянию живых организмов и несут следы их жиз­недеятельности.

  Мегамир

  Планеты - это небесные тела, обращающиеся обычно вокруг звезд, отражающие их свет и не имеющие собственного видимого излучения. По размерам и массам они значительно меньше звезд. Многие планеты имеют спутники, обращающиеся вокруг них. Одной из планет является Земля. Спутником Земли является Луна. Солнечной си­стеме принадлежат также кометы и метеорные тела.

  Звезды. Наиболее распространенными объектами окружа­ющего нас материального мира являются звезды. Изученная нами часть окружающего пространства заполнена огромным количеством звезд — самых больших небесных тел, подоб­ных нашему Солнцу, вещество которых находится в состоя­нии плазмы.

  Метагалактика и Вселенная. По-видимому, ячеистая структура распределения галактик является наиболее крупной структурой Метагалактики — видимой части Вселенной. Самые далекие объекты Метагалактики, которые наблюдаются в настоящее время, — это квазары.

  Под Вселенной понимают весь окружающий нас известный нам и неизвестный мир, т. е. все сущее. Известная часть Вселенной, называемая Метагалактикой, — это объем, заполненный звездами, галактиками и имеющий диаметр - 10²⁸см. Ясно также, что Метагалактикой не исчерпывается вся Вселенная и за ее пределами существует бесчисленное множество других систем различной структурной организации. Число открываемых внегалактических туманностей растет с каждым годом. Современным средствам астрономических исследований доступна колоссальная область пространства диаметром около 10 млрд. световых лет.

   8 Пространство, время. Принципы относительности.

  Принципы симметрии. Закон сохранения

  Когда говорят, что все явления природы и физические процессы происходят в пространстве и времени, подразумевают при этом, что для их описаний требуется указание места, где они происходят, и времени, когда происходят. То, что происходит в данной точке и в данный момент времени, называют в физике элементарным событием. Совокупность же всех возможных событий принято называть миром, где каждому отдельному событию соответствует мировая точка, а процессу, т. е. последовательности элементарных событий, — мировая линия.

  Реальное физическое пространство принимается трехмерным, а время — одномерным. Поэтому положение произволь­ной точки задается тремя числами или параметрами, а время — одним числом.

  Для измерения промежутков времени и определения моментов наступления событий задаются начало отчета времени и эталонные часы, причем предполагается, что часами снабжены все точки пространства и часы синхронизированы между собой. Под часами понимают любой строго периодический процесс, продолжительность которого принимается за единицу.

  Таким образом, пространство есть всеобщая объективная форма существования материи, являющаяся необходимым условием возникновения и движения конкретных материальных систем. Понятие "пространство" выражает: взаимное расположение материальных.

  Время есть всеобщая объективная форма существования нижущейся материи, являющаяся необходимым условием возникновения и изменения конкретных материальных систем и выражающая структурность, темп и длительность материальных процессов, и объективную последовательность событий.

  Пространство и время — это не самостоятельные сущности, а коренные формы бытия, существования движущихся материальных систем. Пространство и время представляют собой формы, в которых проявляется активность материи. Им присущи такие всеобщие свойства, как объективность, безграничность и бесконечность, единство абсолютности и относительности, прерывности и непрерывности.

  Пространство и время есть единство бесконечного и конечного. Бесконечность пространства проявляется абсолютным характером движущейся материи, отсутствием каких-либо конечных, застывших состояний, неисчерпаемостью в структурном отношении и качественными превращениями материи. Бесконечность времени состоит в том, что материя вечна в прошлом и будущем, что время — это всеобщая форма существования бесконечной материи.

  Конечность пространства выражается в прерывности движения, дискретности и дифференцированности материальных систем. Точно так же время складывается из бесконечного множества длительностей существования отдельных материальных систем, где протекают необратимые процессы.

  В физике теория пространства и времени с метафизических позиций была обоснована И. Ньютоном. Он различал абсолютные и относительные пространство и время. Относительные пространство и время — это чувственно воспринимаемые за­висимости между материальными телами, абсолютные — это математические пространство и время, которые независимы от материи, друг от друга и составляют пустые вместилища для материи. Создание в первой половине XIX в. Н. Лобачевским, а затем Б. Риманом неевклидовой геометрии устранило один из основных доводов в пользу ньютоновской концепции пространства и времени — наличие только одной евклидовой геометрии.

  Идеи Лобачевского получили свое дальнейшее развитие в теории относительности А. Эйнштейна. Согласно теории относительности Эйнштейна, время и пространство существуют сами по себе и находятся в прямой неразрывной связи с движущейся материей. Теория относительности, которая включает в себя частную и общую теорию относительности, вскрыла конкретные формы органичной взаимосвязи пространства и времени, установила их зависимость от распределения и движения материи, показав тем самым, что пространство и время не существуют отдельно друг от друга и от материи и что они не являются абсолютными в смысле классической физики.

  В классической механике был известен принцип относительности Галилея: если законы механики справедливы в одной системе координат, то они справедливы и в любой другой системе координат, движущейся прямолинейно и равномерно относительно первой, т. е. в инерциальных системах координат. В инерциальных системах отсчета пространство и время носят абсолютный характер, т. е. интервал времени и разме­ры тел не зависят от состояния движения системы отсчета.

  В начале XX в. выяснилось, что принцип относительности справедлив также в оптике и электродинамике, т. е. в других разделах физики. Принцип относительности расширил свое значение и теперь звучал так: законы физики имеют одинаковую форму во всех инерциальных системах отсчета. Переход от одной инерциальной системы к другой осуществлялся в соответствии с преобразованиями Галилея. Скорость тела относительно неподвижной системы отсчета слагается из скорости тела и скорости системы отсчета.

  При обобщении принципа относительности и распространении его на электромагнитные процессы постулируется постоянство скорости света, т. е. скорость света не слагается со скоростью системы отсчета. Чем вызвано такое особое отношение к свету и его скорости как к эталону для измерения времени и пространства? Это связано с тем, что свет есть электромагнитная волна, являющаяся формой материи. Световой волне для распространения не требуется специальной материальной среды — эфира. Причем скорость света не зависит от движения источника света или наблюдателя. Это утверждение обычно называют принципом относительности.

  Закон сохранения

  Наиболее ярко проявление законов сохранения мы наблюдаем в мире элементарных частиц. Здесь действует правило: разрешено все, что не запрещают законы сохранения. Последние играют роль правил запрета, регулирующих взаимопревращение частиц. Прежде всего, отметим законы сохранения энергии, импульса и электрического заряда. Существует много специфических параметров, сохранение которых регулирует взаимопревращение частиц, барионный заряд, лептонный заряд, четность (пространственная, временная, зарядовая), странность, "очарование" и т.д. Некоторые их них не сохраняются в процессах, обусловленных слабым взаимодействием (четность, странность, "очарование").

  Среди всех физических законов своей всеобщностью, высшей степени фундаментальностью выделяются законы сохранения энергии импульса, момента импульса и ряда других величин. Своим происхождением эти законы сохранения обязаны свойствам симметрии природы. Свойства симметрии природы выражаются в неизменности вида физических законов, т. е. в их инвариантности, при некоторых преобразованиях. Тем самым была математически доказана связь между законами сохранения и симметрией законов природы.

  Симметрия предполагает неизменность объекта или свойств объекта по отношению к каким-нибудь преобразованиям, операциям, выполняемым над объектом. Симметрию можно понимать в геометрическом смысле — как симметрию поло­жений. Симметрия имеет определенную структуру, состоящую из трех факторов: 1) объект или явление, симметрия которого рассматривается; 2) изменение или преобразование, по отношению к которому рас­сматривается симметрия; 3) инвариантность или неизменность, сохранение каких-либо свойств объекта, выражающих рассматриваемую симметрию.

  Важное значение имеет симметрия физических законов, которые в основном связаны со свойствами пространства и времени.

  В классической механике законы сохранения выводят из законов движения. Так, для получения закона сохранения импульса используют второй и третий законы Ньютона. Однако законы сохранения могут быть получены не на основе законов движения, а непосредственно из принципов симметрии.

  Законы сохранения занимают в естествознании особое место. Существует следующая точка зрения на эти законы: они представляют собой наиболее глубокие, фундаменталь­ные законы природы, к которым, возможно, сведутся в будущем все закономерности естествознания. В нашем знании о мире есть три последовательные ступени. На низшей сту­пени находятся явления, на следующей — законы природы, на третьей — принципы симметрии. Законы природы позво­ляют предсказать явления, принципы симметрии позволяют предсказать законы природы. Прогресс в научном познании мира основывается, в конечном счете, на познании принци­пов симметрии. Но при этом необходимо иметь ввиду не про­сто симметрию, а симметрию в диалектической взаимосвязи с асимметрией.

   9. Взаимодействие, близкодействие, дальнодействие

  
  

  Все структурные объекты мира объединяются в системы вследствие взаимодействий между собой. Под взаимодействием в более узком смысле понимает такие процессы, в ходе которых между взаимодействующими структурами и системами происходит обмен квантами определенных полей, энергией, а иногда и информацией.

  В настоящее время принято считать, что любые взаимодействия каких угодно объектов могут быть сведены к ограниченному классу четырех основных фундаментальных взаимодействий - сильному, электромагнитному, слабому и гравитационному (в том числе и между элементарными частицами). Интенсивность взаимодействий принято характеризовать с помощью, так называемой константы взаимодействия, которая представляет собой безразмерный параметр, определяющий вероятность процессов, обусловленных данным видом взаимодействия.

  Отношение значений констант дает относительную интенсивность соответствующих взаимодействий. Кратко охарактеризуем каждый из этих четырех видов взаимодействий

  Сильные (ядерные) взаимодействия. Наличие в ядрах одинаково заряженных протоков и нейтральных частиц говорит о том, что должны существовать взаимодействия, которые гораздо интенсивнее электромагнитных, ибо иначе ядро не могло образоваться. Эти взаимодействия (их называют сильными), проявляются лишь в пределах ядра. Этот вид взаимодействия обеспечивает связь нуклонов в ядре.

  Электромагнитные взаимодействия. Ими обусловлены связи в атомах, молекулах и обычных макротелах. Энергия ионизации атома, т.е. энергия отрыва электрона от ядра, определяет значение электромагнитного взаимодействия, существующего в атоме. Теплота парообразования, т.е. энергия перехода жидкость — пар (при атмосферном давлении), определит, правда довольно грубо, значение межмолекулярных взаимодействий в теле. Последние же имеют электромагнитное происхождение. Радиус действия не ограничен.

  Слабое взаимодействие. Это взаимодействие ответственно за все виды распада ядер (включая захват), затем многие распады элементарных частиц, а также за все процессы взаимодействия нейтрино с веществом. Слабое взаимодействие, как и сильное, является короткодействующим. Как отмечалось, из большого списка элементарных частиц только электрон, протон, фотон и нейтрино всех типов являются стабильными. Под влиянием "внутренних причин" нестабильные свободные частицы за те или иные характерные времена превращаются в другие частицы.

  Гравитационные взаимодействия (тяготения). Притяжение тел к Земле, существование Солнечной системы, звездных систем (галактик) обусловлено взаимодействием сил тяготения, или иначе — гравитационными взаимодействиями. Эти взаимодействия универсальны, т. е. применимы к любым микро- и макрообъектам. Однако они существенны лишь для тел огромных астрономических масс и для формирования структуры и эволюции Вселенной как целого. Гравитационные взаимодействия очень быстро ослабевают для объектов с малыми массами и практически не играют роли для ядерных и атомных систем. Радиус действия не ограничен. Гравитационное взаимодействие является универсальным, ему подвержены все без исключения элементарные частицы. Однако в процессах микромира гравитационное взаимодействие ощутимой роли не играет.

  В вопросах строения и развития мира как целого роль гравитации становится определяющей. Исследование же конкретных небесных объектов (звезд, пульсаров, квазаров и др.) невозможно без привлечения всех видов фундаментальных взаимодействий.

  Несомненно, приведенная классификация взаимодействий отражает современный уровень развития науки. В будущем, возможно, взаимодействия будут либо объединены, либо их останется меньше, если обнаружатся связи между константами взаимодействия.

  Концепции близкодействия и дальнодействия

  Близкодействие и дальнодействие — это взаимно противоположные взгляды для объяснения взаимодействия ма­териальных структур. По концепции близкодействия любое взаимодействие на материальные объекты может быть передано только между соседними точками пространства за конечный промежуток времени. Дальнодействие допускает действие на расстоянии мгновенно с бесконечной ско­ростью, т. е. фактически вне времени и пространства. После Ньютона эта концепция получает широкое распространение в физике, хотя он сам понимал, что введенные им силы дальнодействия (например, силы тяготения) являются лишь формальным приближенным приемом, позволяющим дать верное в некоторых пределах описание наблюдаемых явлений. Окончательное утверждение принципа близкодействия пришло с выработкой концепции физического поля как материальной среды. Уравнения поля описывают состояние системы в данной точке в данный момент времени как зависящее от состояния в ближайший предшествующий момент в ближайшей соседней точке. Если электромагнитное поле может существовать независимо от материального носителя, то электрическое взаимодействие нельзя объяснить действием на расстоянии. Поэтому дальнодействие Ньютона уступило место близкодействию, полям, распространяющимся в пространстве с конечной скоростью.

  Каждая фундаментальная теория имеет определенные границы применимости. И эти границы устанавливаются весьма строго и точно, особенно если открыта более глубокая теория, описывающая те же самые процессы. Например, классическая механика Ньютона правильно описывает движение больших тел только в тех случаях, когда скорость движения их много меньше скорости света, что выяснилось только после создания специальной теории относительности и релятивистской механики, справедливой для описания дви­жения тел с любыми скоростями.

  Но появление новой теории, например, релятивистской механики, совсем не означает, что старая классическая механика утрачивает свою ценность. Движение макроскопических тел со скоростями намного меньше скорости света всегда будет описываться механикой Ньютона, потому что в этой области скоростей релятивистская механика дает ничтожные поправки, учет которых не имеет смысла.

   10. Состояния

  
  

  Принцип дополнительности и соотношение неопределенностей

  Еще один физический принцип - принцип дополнительности - возник из попыток осознать причину появления противоречивых наглядных образов, которые приходится связывать с объектами микромира.

  В ряде экспериментов электрон и другие элементарные частицы обнаруживают корпускулярные свойства, то есть свойства частиц. Любое устройство для детектирования микрообъектов всегда регистрирует их как нечто целое, локализованное в очень малой области пространства.

  С другой стороны, при движении все микрочастицы обнаруживают типичные волновые свойства. Наблюдается интерференция (наложение волн друг на друга) и дифракция (огибание волнами препятствий) частиц на кристаллических решетках или искусственно созданных препятствиях. Электрон и другие частицы ведут себя подобно волнам, огибающим препятствия, и как бы одновременно проходят через несколько щелей дифракционной решетки.

  Таким образом, всем микрообъектам присущ корпускулярно-волновой дуализм. Общий ответ на вопрос о том, каким же образом совмещаются эти противоречивые свойства у одного объекта, был дан Н. Бором.

  Прежде всего, подчеркивает Бор, нужно ясно осознать, что все приборы, регистрирующие индивидуальные акты в микромире, являются макроскопическими и иными быть не могут. Наши органы чувств не воспринимают микропроцессов. Сам человек - существо макроскопическое. Отсюда следует, что понятия, которыми мы пользуемся для описания явлений, - это макроскопические понятия, в терминах которых описывается работа приборов. Но эти понятия не могут быть полностью применены к микрообъектам, так как их поведение не подчиняется законам классической механики.

  Согласно принципу дополнительности Бора, для полного описания квантово-механических явлений необходимо применять два взаимоисключающих (дополнительных) набора классических понятий (частиц и волн). Только совокупность таких понятий дает исчерпывающую информацию об этих явлениях как о целостных.

  Принцип дополнительности является результатом философского осмысления новой необычной физической теории - квантовой механики. Он выражает на макроскопическом уровне один из основных законов диалектики - закон единства противоположностей.

  Частным выражением принципа дополнительности является соотношение неопределенностей Гейзенберга.

  Говоря о частице, мы представляем себе комочек вещества, находящийся в данный момент в определенном месте, обладающий определенной энергией и движущийся со строго опре­деленной скоростью. При этом мы допускаем, что можно абсолютно точно знать координаты, импульс и энергию частицы в любой момент времени.

  Однако, связывая частицу с волной, мы переходим к образу неограниченной синусоиды, простирающейся во всем пространстве. И понятия «длина волны в данной точке», «импульс в данной точке» просто не могут иметь смысла. Также не имеет смысла понятие энергии частицы в данный момент времени. Дело в том, что согласно формуле Планка, энергия связана с частотой волны, которая характеризует происходящий во времени гармонический колебательный процесс. Утверждение, что электрон лишь приближенно может рассматриваться как материальная точка, означает, что его координаты, импульс и энергия могут быть заданы лишь приблизительно. Количественно это выражается соотношением неопределенностей Гейзенберга.

  Согласно этому соотношению, чем точнее фиксирован импульс, тем большая неопределенность будет в значении координаты. Также соотносятся энергия и время. Точность измерения энергии обратно пропорциональна длительности процесса измерения. Причина этого во взаимодействии прибора с объ­ектом измерения.

  Принцип неопределенности показывает, почему невозможно «падение» электрона на ядро атома. Ядро атома имеет очень малые размеры и при «падении» электрона местоположение последнего оказывается весьма точно определенным. Следова­тельно, резко увеличивается неопределенность в скорости электрона, разброс в значении скоростей станет весьма боль­шим. В этот разброс будут включаться столь большие скоро­сти, что электрон скорее покинет атом, чем упадет на ядро.

  Принцип суперпозиции

  Этот принцип также имеет важное значение в физике и особенно - в квантовой механике. Принцип суперпозиции (наложения) - это допущение, согласно которому результирующий эф­фект представляет собой сумму эффектов, вызываемых каждым воздействующим явлением в отдельности. Одним из простых примеров является правило параллелограмма, в соответствии с которым складываются две силы, воздействующие на тело. Принцип суперпозиции выполняется лишь в условиях, когда воздействующие явления не влияют друг на друга. Встречный ветер тормозит движение автомашины по закону параллелограмма - принцип суперпозиции в этом случае выполняется полностью. Но если песок, поднятый ветром, ухудшит работу двигателя, то в этом случае принцип суперпозиции выполняться не будет. Вооб­ще, в ньютоновской физике этот принцип не универсален и во многих случаях выполняется лишь приближенно.

  В микромире, наоборот, принцип суперпозиции - фундаментальный принцип, который наряду с принципом неопределенности составляет основу математического аппарата квантовой механики. В квантовой теории принцип суперпозиции лишен наглядности, характерной для классической механики, так как в квантовой теории в суперпозиции складываются альтернативные, с классической точки зрения, исключающие друг друга состояния.

  В релятивистской квантовой теории, предполагающей взаимное превращение частиц, принцип суперпозиции должен быть дополнен принципом суперотбора. Простейший пример - при аннигиляции электрона и позитрона принцип суперпозиции дополняется принципом сохранения электрического заряда - до и после превращений сумма зарядов должна быть постоянной. Поскольку заряды электрона и позитрона равны и взаимно противоположны, должна возникать незаряженная частица, каковой и является рождающийся в этом процессе аннигиляции фотон.

  А теперь ненадолго вернемся к принципам симметрии, которые, как мы уже знаем, лежат в основе законов сохранения физических величин, и в частности, в основе фундаментального закона сохранения энергии. Он выводит нас еще в одну область физики - термодинамику.

   11. Химические процессы, реакционная способность веществ

  
  

  Способность к взаимодействию различных химических реагентов определяется кроме всего прочего и условием проте­кания химических реакций. Эти условия могут оказывать воздействие на характер и результат химических реакций. Наиболее зависимыми от условий протекания реакции оказываются соединения переменного состава с ослабленными связями ме­жду их компонентами. Именно на них направлено в первую очередь действие разных катализаторов, которые значительно ускоряют ход химических реакций.

  Одним из основоположников этого направления в химии стал русский химик Н.Н. Семенов - лауреат Нобелевской премии, основатель химической физики. В своей Нобелевской лекции 1965 г. он заявил, что химический процесс - то основное явление, которое отличает химию от физики, делает ее более сложной наукой. Химический процесс становится первой тенью при восхождении от таких относительно простых физических объектов, как электрон, протон, атом, молекула, к живой системе, потому что любая клетка живого организма, по существу, представляет собой своеобразный сложный реактор. Это - мост от объектов физики к объектам биологии.

  Подавляющее большинство химических реакций находится во власти стихии. Они трудноконтролируемы: в одних случаях их просто не удается осуществить, хотя они в принципе осуще­ствимы, в других - трудно остановить, например, горения и взрывы, в третьих случаях их трудно ввести в одно желаемое русло, так как они самопроизвольно создают десятки непредвиденных ответвлений с образованием сотен побочных про­дуктов. В самом общем виде методы управления химическими процессами можно подразделить на термодинамические и кинетические, а среди последних ведущую роль играют каталитические методы.

  Каждая химическая реакция в принципе обратима, но на практике равновесие смещается в ту или иную сторону, что зависит как от природы реагентов, так и от условий процесса. Есть реакции, которые не требуют особых средств управления: кислотно-основное взаимодействие (нейтрализация), реакции, сопровождающиеся удалением готовых продуктов или в виде газов, или в форме осадков. Но существует немало реакций, равновесие которых смещено влево, к исходным веществам. И чтобы их осуществить, требуются особые термодинамические рычаги - увеличение температуры, давления и концентрации реагируемых веществ.

  Термодинамическое воздействие влияет преимущественно на направленность химических процессов, а не на их ско­рость. Управлением скоростью химических процессов зани­мается химическая кинетика, в которой изучается зависи­мость протекания химических процессов от различных струк­турно-кинетических факторов: строения исходных реагентов, их концентрации, наличия в реакторе катализаторов и других добавок, способов смешения реагентов, материала и конструкции реактора и т.п.

  Задача исследования химических реакций является исключительно сложной. Ведь при ее решении необходимо выяснить механизм взаимодействия не просто двух реагентов, а еще и «третьих тел», которых может быть несколько. В этом случае наиболее целесообразно поэтапное решение, при котором вна­чале выделяется наиболее сильное действие какого-нибудь одного из «третьих тел», чаще всего катализатора.

  Здесь следует понять, что практически все химические ре­акции представляют собой отнюдь не простое взаимодействие исходных реагентов, а сложные цепи последовательных стадий, где реагенты взаимодействуют не только друг с другом, но и со стенками реактора, которые могут как катализировать (ускорять), так и ингибировать (замедлять) процесс.

  Опыты показывают, что на интенсивность химических процессов оказывают влияние также случайные примеси. Вещества различной степени чистоты проявляют себя в одних случаях как более активные реагенты, в других - как инертные. Примеси могут оказывать как каталитическое, так и ингибиторное действие. Поэтому для управления химическим процессом в реагирующие вещества вносят те или иные добавки.

  Таким образом, влияние «третьих тел» на ход химических реакций может быть сведено к катализу, то есть положитель­ному воздействию на химический процесс, и к ингибированию, сдерживающему процесс.

  Катализ в химии делает настоящие чудеса. Например, ре­акция синтеза аммиака. До 1913 г. она вообще не могла быть осуществлена. Только после того, как был найден катализатор, при высокой температуре и давлении эту реакцию удалось осуществить. Но она была очень трудной в технологическом исполнении и опасной. А сейчас открыты условия, позволяю­щие проводить ее при нормальном давлении и комнатной тем­пературе с использованием металлоорганических катализаторов.

  Применение катализаторов послужило основанием коренной ломки всей химической промышленности. Благодаря им стало возможным ввести в действие в качестве сырья для органического синтеза парафины и циклопарафины, до сих пор считавшиеся «химическими мертвецами». Катализ находится в основании производства маргарина, многих пищевых продуктов, а также средств защиты растений. Почти вся промышленность основной химии (производство неорганических кислот, оснований и солей) и «тяжелого органического синтеза», включая получение горюче-смазочных материалов, базируется на катализе. Последнее время тонкий органический синтез также становится все более каталитическим. 60 - 80 процентов всей химии основаны на каталитических процессах. Химики не без основания говорят, что некаталитических процессов вообще не существует, поскольку все они протекают в реакторах, материал стенок которых служит своеобразным катализатором. Но сам катализ долгое время оставался загадкой природы, вызывая к жизни самые разнообразные теории, как чисто химические, так и физические.

  На современном этапе своего развития учение о химических процессах занимается разработкой таких проблем, как химия плазмы, радиационная химия, химия высоких давлений и температур.

  Химия плазмы изучает химические процессы в низкотемпературной плазме (плазма - это ионизированный газ). Она исследует протекание химических реакций при температурах от 1000 до 10000 °С. Такие процессы характеризуются возбужденным состоянием частиц, столкновениями молекул с заряженными частицами и очень высокими скоростями реакций.

  В плазмохимических процессах скорость перераспределения химических связей очень высока: длительность элементарных актов химических превращений составляет 10^,3сек при почти полном отсутствии обратимости реакции. Скорость этих химических процессов в обычных реакторах из-за обратмости снижается в тысячи раз. Поэтому плазмохимические процессы очень производительны.

  Плазменная химия в последнее время все больше внедряет­ся в промышленное производство. Уже созданы технологии производства сырья для порошковой металлургии, разработаны методы синтеза для целого ряда химических соединений. В 70-х годах были созданы плазменные сталеплавильные печи, позволяющие получать самые высококачественные металлы. Разработаны методы ионно-плазменной обработки поверхно­сти инструментов, износостойкость которых увеличивается в несколько раз.

  Одним из самых молодых направлений в исследовании химических процессов является радиационная химия, которая за­родилась во второй половине нашего столетия. Предметом ее разработок стали превращения самых разнообразных веществ под воздействием ионизирующих излучений. Источниками ионизирующего излучения служат рентгеновские установки, ускорители заряженных частиц, ядерные реакторы, радиоактивные изотопы. В результате радиационно-химических реакций вещества получают повышенную термостойкость и твердость.

  Наиболее важными процессами радиационно-химической технологии являются полимеризация, вулканизация, произ­водство композиционных материалов, в том числе получение полимербетонов путем пропитки обычного бетона каким-нибудь полимером с последующим облучением. Такие бетоны имеют в 4 раза более высокую прочность, обладают водоне­проницаемостью и высокой коррозийной стойкостью.

  Сегодня также принципиально новой и исключительно важной областью учения о химических процессах является самораспространяющийся высокотемпературный синтез тугоплавких и керамических материалов. Обычно их производство осуществляется методом порошковой металлургии, суть кото­рого заключается в прессовании и сжатии при высокой температуре (1200 - 2000° С) металлических порошков. Самораспространяющийся синтез происходит гораздо проще, так как основан на реакции горения одного металла в другом, или ме­талла в азоте, углероде и т.п.

  Сегодня абсолютно точно известно, что процесс горения представляет собой соединение кислорода с горючим веществом. В химии принято считать горение реакцией окисления горючего вещества, что означает перемещение электронов от атомов горючего тела к атомам кислорода. С этой точки зрения горение возможно не только в кислороде, но и в других окислителях. На этом выводе и основан самораспространяющийся высокотемпературный синтез - тепловой процесс горения в твердых телах.

   12. Внутренне строение и история геологического

  развития земли

  
  

  Время существование земли делится на два существенно различных периода – ранняя история и геологическая история.

  Ранняя история Земли разделяется на три фазы эволюции: фазу рождения, фазу расплавления внешней сферы и фазу первичной коры.

  Фаза рождения продолжалась 100 млн. лет. При этом на растущую Землю падало большое количество крупных тел. Вместе с крупными телами на Землю падали и самые крупные объекты – планетезимали, зародыши «неудавшихся» планет. Их поперечники измерялись многими километрами и даже первыми десятками километров. В фазу рождения Земля приобрела приблизительно 95% современной массы.

  Фаза расплавления датируется 4,6—4,2 млрд. лет назад (длительность 0,4 млрд. лет). Во время аккреции Земля долго оставалась холодным космическим телом, и только в конце этой фазы, когда началась предельно интенсивная бомбардировка ее крупными объектами, произошло сильное разогревание, а затем полное расплавление вещества сначала внешней зоны планеты, потом и внутренней области.

  Наступила продолжительная фаза гравитационной дифференциации вещества: тяжелые химические элементы и их соединения опускались вниз, легкие поднимались вверх. Поэтому постепенно в процессе дифференциации вещества в центре Земли сосредотачивались тяжелые химические элементы (железо, никель и др.), из которых образовалось ядро, а из более легких соединений возникла мантия Земли. Кремний и другие химические элементы стали основой формирования континентов, а самые легкие химические соединения образовали океаны и атмосферу Земли. В земной атмосфере первоначально было много водорода, гелия и таких водородосодержащих соединений, как метан, аммиак, водяной пар. Со временем водород и гелий улетучились.

  Лунная фаза продолжалась 400 млн. лет (от 4,2 до 3,8 млрд. лет назад). При этом остывание расплавленного вещества внешней сферы Земли привело к образованию тонкой первичной коры базальтового состава. В это же время происходило формирование гранитного слоя материковой коры. Кон­тиненты сложены в основном гранитами и гнейсами, то есть горными породами. Между тем ложе океанов выстилается базальтами — породами, богатыми магнием и же­лезом. Таким образом, континенты оказываются построенными менее плотным, более легким материалом, чем дно океанов. К тому же кора континентов намного толще (в среднем 35—40 км), чем кора океанов (5—7 км). Благодаря этому кон­тиненты минимум на 5—6 км возвышаются над ложем океанов. На некоторой глубине, где в верхней мантии находится пластичный слой (так называемая астеносфера), легкие, но толстые континентальные глыбы и тяжелые, но тонкие океанские плиты должны уравновешивать друг друга.

  Геологическая история — это принципиально новый период развития Земли как планеты в целом, так и особенно с коры и природной среды. После охлаждения земной поверхности до температуры ниже 100°С на ней образовалась огромна масса жидкой воды, которая представляла собой не просто скопление неподвижных вод, а находящихся в активном глобальном круговороте. В структурном отношении круговорот распадался на звенья: атмосферное (испарение, перенос влаги осадки), литосферное (поверхностные и подземные стоки) океаническое. В процессе круговорота происходит поглощение солнечной энергии и распределение ее по земной поверхности.

  Глобальная эволюция Земли происходила под влиянием факторов — космического, эндогенного и экзогенного. К эндогенной энергии относится гравитационная энергия. Земля обладает наибольшей массой из планет земной группы и по этому имеет наибольшую внутреннюю энергию — радиогенную, гравитационную и др.

  В экзогенном факторе необычайную активность проявила вода, находившаяся раньше в виде пара в атмосфере. Земля стала тем космическим телом, которое оказалось неблагоприятным для длительного сохранения ударных кратеров вследствие высокой активности действующих на ней экзогенных процессов разрушения.

  Поэтому глобальный процесс формирования географической оболочки и ее функционирования возможен только на основе солнечной радиации с учетом потенциальной энергии силы тяжести масс горных пород. Солнце снабжает Землю и теплом, необходимым для поддержания ее температуры в подходящем диапазоне, охватывающем всего около 100°, не нагревая ее чрезмерно. Следует, однако, иметь в виду, что и большое изменение всего лишь на несколько процентов количества тепла, получаемого Землей от Солнца, приведет сильным изменениям земного климата. Земная атмосфера играет чрезвычайно важную роль в поддержании температуры в допустимых пределах. Она действует как одеяло, не допуская слишком сильного повышения температуры днем и безмерного понижения температуры ночью.

  Эволюция атмосферы. В фазу расплавления огромные массы выделявшихся газов образовали первичную атмосферу Земли. Основными компонентами выделявшихся из недр Земли газов были углекислый газ и водяной пар, что аналогично составу летучих компонентов при современных вулканических извержениях («80% вода, -10% углекислый га После охлаждения земной поверхности до температуры ни 100°С произошел переход атмосферного водяного пара в жидкую воду. Так как углекислый газ легко растворяется в воде то преобладающая его часть была поглощена водой. В настоящее время в океанических водах в 60 раз больше углекислого газа, чем его имеется в атмосфере. Воздушная среда не только утратила почти всю воду, находившуюся в ней в виде пара но в ней осталось мало и С0₂. Во много раз уменьшилось ее давление. Дальнейшая эволюция атмосферы связана главным образом с появлением и развитием органического мира, прежде всего растительного. Атмосфера предохраняет нас не только от огромных колебаний температур. Это неоценимая защита от метеорных тел, непрерывно бомбардирующих Землю из межпланетного пространства. Метеорные тела сталкиваются с Землей со скоростью до 72 км/с. Сила удара метеоритной частицы массой всего 0,001 г, несущейся с такой скоростью, такая же, как пули пистолета 45 калибра при выстреле в упор. Хотя размеры частицы не больше пылинки меньше средней песчинки, она все же опасна для человека. Ежедневно в земную атмосферу вторгаются миллиарды частиц, создавая слабые метеоры, которые можно видеть только в телескоп. Слабейшие метеоры, видимые невоору­женным глазом, в несколько раз крупнее. Большинство этих тел быстро испаряется в атмосфере из-за сопротивления воздуха.

  Развитие литосферы и рельефа. Наиболее характерная особенность строения рельефа и земной коры — наличие материковых массивов и океанических впадин. Общая направленность структурного развития земной коры заключается в том, что на первичной базальтовой коре под влиянием дей­ствия геосинклинального процесса, т. е. образования линейных тектонических структур, стали возникать острова материковой коры. Этот процесс начался в архейскую эру. В результате действия геосинклинального процесса, включающего в себя складчатость и гранитизацию, происходила консолида­ция обширных областей земной коры. Она сопровождалась увеличением масс горных пород гранитного слоя материковой коры, возрастанием ее мощности над уровнем моря. С мезозойской эры начал развиваться процесс раскола материковой коры и раздвижения ее в стороны от образовавшихся рифтов. Это привело к дрейфу континентов. С появлением на Земле воды произошло скачкообразное возрастание темпа развития ее внешней области. Геотектонический процесс создания материков (геосинклинальный процесс) также мог развиваться только в условиях морских бассейнов.

  В современных условиях наибольшая активность тектонической деятельности Земли проявляется через землетрясения, поэтому остановимся на них более подробно.

  Землетрясение — это одна из наиболее страшных природных катастроф, уносящая десятки и сотни тысяч человеческих жизней и вызывающая опустошительные разрушения на огромных пространствах.

  Эволюция биосферы. Эволюция химических соединений, приведшая к зарождению жизни, началась с появления на Земле масс жидкой воды, т. е. с ранней геологической истории. Время образования предбиологических систем (коацерватов) продолжалось около 1 млрд. лет. Самые старые ископаемые клетки образовались в архейский период развития Земли, продолжавшийся от 3,4 до 2 млрд. лет назад. В протерозое, длившемся от 2 млрд.лет до 600 млн.лет назад, образовались наиболее старые из фотосинтезирующих растений. В конце про­терозоя образовались различные организмы. Были обнаружены отпечатки 13 видов медузообразных, кишечнополостных, некоторые виды червей и животных, не похожих на формы более позднего времени. Уже существовал биотический круговорот вещества и энергии. Зеленые растения, водоросли и фотосинтезирующие бактерии путем фотосинтеза поглощали из воздушной среды углекислый газ и воду, а выделяли из нее кислород

   13. Особенности биологического уровня организации материи

  
  

  Классификация уровней биологических структур и организация живых систем

  Рассмотрение явлений живой природы по уровням био­логических структур даст возможность изучения возникно­вения и эволюции живых систем на Земле от простейших и менее организованных систем к более сложным и высокоор­ганизованным. Первые классификации растений, наиболее известной из которой была система Карла Линнея, а также классификация животных Жоржа Бюффона носили в значительной мере искусственный характер, поскольку не учиты­вали происхождения и развития живых организмов. Тем не менее, они способствовали объединению всего известного биологического знания, его анализу и исследованию причин и факторов происхождения и эволюции живых систем. Без такого исследования невозможно было бы, во-первых, пе­рейти на новый уровень познания, когда объектами изучения биологов стали живые структуры сначала на клеточном, а .затем на молекулярном уровне. Во-вторых, обобщение и си­стематизация знаний об отдельных видах и родах растений и животных требовали перехода от искусственных классификаций к естественным, где основой должен стать принцип генезиса, происхождения новых видов, а следовательно, раз­работана теория эволюции. В-третьих, именно описательная, эмпирическая биология послужила тем фундаментом, на остове которого сформировался целостный взгляд на многооб­разный, но в то же время единый мир живых систем.

  Представление о структурных уровнях организации жи­вых систем сформировалось под влиянием открытия клеточной теории строения живых тел. В середине прошлого века клетка рассматривалась как элементарная единица живой материи, наподобие атома неорганических тел. Проблема строения живого, изучаемого молекулярной биологией, совершила научную революцию с середины нашего столетия. Во второй половине XX в. были выяснены вещественный состав, структура клетки и процессы, происходящие в ней.

  Каждая клетка содержит в середине плотное образова­ние, названное ядром, которое плавает в "полужидкой" ци­топлазме. Все они вместе заключены в клеточную мембрану. Клетка нужна для аппарата воспроизводства, который нахо­дится в ее ядре. Без клетки генетический аппарат не мог бы существовать. Основное вещество клетки — белки, молеку­лы которых обычно содержат несколько сот аминокислот и похожи на бусы или браслеты с брелочками, состоящими из главной и боковой цепей. У всех живых видов имеются свои особые белки, определяемые генетическим аппаратом.

  Попадающие в организм белки расщепляются на аминокислоты, которые затем используются им для построения собственных белков. Нуклеиновые кислоты создают ферменты, управляющие реакциями. Хотя в состав белков человеческого организма входят 20 аминокислот, но совершенно обязательны для него только 9 из них. Остальные, по-видимому, вырабатываются самим организмом. Характерная особенность аминокислот, содержащихся не только в человеческом организме, но и в других живых системах (животных, растениях и даже вирусах), состоит в том, что все они яв­ляются левовращающими плоскость поляризации изомерами, хотя в принципе существуют аминокислоты и правого вращения.

  Дальнейшие исследования были направлены на изучение механизмов воспроизводства и наследственности в надежде обнаружить в них то специфическое, что отличает живое от неживого. Наиболее важным открытием на этом пути было выделение из состава ядра клетки богатого фосфором веще­ства, обладающего свойствами кислоты и названного впос­ледствии нуклеиновой кислотой. В дальнейшем удалось выя­вить углеводный компонент этих кислот, в одном из которых оказалась Д-дезоксирибоза, а в другом Р-рибоза. Соответственно этому первый тип кислот стали называть дезоксирийонуклеиновыми кислотами, или сокращенно, ДНК, а вто­рой тип — рибонуклеиновыми, или кратко РНК кислотами.

  Воспроизводство себе подобных и наследование призна­ков осуществляется с помощью наследственной информации, материальным носителем которой являются молекулы дезок-сирибонуклеиновой кислоты (ДНК). ДНК состоит из двух це­пей, идущих в противоположных направлениях и закручен­ных одна вокруг другой наподобие электрических проводов. Напоминает винтовую лестницу. Участок молекулы ДНК, слу­жащий матрицей для синтеза одного белка, называют геном. Гены расположены в хромосомах (части ядер клеток). Было доказано, что основная функция генов состоит в кодирова­нии синтеза белков. Механизм передачи информации от ДНК к морфологическим структурам дал известный физик-теоре­тик Г. Гамов, указав, что для кодирования одной аминокис­лоты требуется сочетание из трех нуклеотидов ДНК.

  Молекулярный уровень исследования позволил показать, что основным механизмом изменчивости и последующего отбора являются мутации, возникающие на молекулярно-генетическом уровне. Мутация — это частичное изменение структуры гена. Конечный эффект ее — изменение свойств белков, кодируемых мутантными генами. Появившийся в результате мутации признак не исчезает, а накапливается. Мутации вызываются радиацией, химическими соединениями, изменением температуры, наконец, могут быть просто случайным. Действие естественного отбора проявляется на уровне живого, целостного организма.

  Онтогенетический уровень организации относится к отдель­ным живым организмам — одноклеточным и многоклеточ­ным. В разных организмах число клеток существенно отличается. В соответствии с числом клеток все живые организ­мы разделяют на пять царств.

  Первые живые организмы имели одиночные клетки, за­тем эволюция жизни усложнила структуру и число клеток. Одноклеточные организмы, имеющие простое строение, на­зываются мономерами (от греч. meros — часть), или бактери­ями. Одноклеточные организмы с более сложной структурой относят к царству водорослей, или проститов. Среди водо­рослей есть и простейшие многоклеточные организмы. К многоклеточным относят растения, грибы и животных. Живые организмы классифицируют в связи с их эволюционным род­ством, поэтому считается, что многоклеточные имели свои­ми предками проститы, а те произошли от монер. Но три многоклеточных царства произошли от разных проститов. Каждая группа многоклеточных организмов — растений, животных и грибов имеет свой план строения, приспособлен­ный к своему образу жизни, а у каждого вида в процессе эволюции сложилась определенная разновидность этого дос­таточно гибкого плана. Почти каждый вид состоит из разли­чающихся по строению, но в тоже время кровно родственных групп индивидов. Вид представляет собой не простое собрание индивидуумов, а сложную систему группировок, соподчиненных и тесно связанных друг с другом.

  Известный немецкий биолог Э. Геккель открыл биогенетический закон, согласно которому онтогенез в краткой форме повторяет филогенез, т. е. отдельный организм в своем индивиду­альном развитии в сокращенной форме повторяет историю рода.

  Популяционный уровень начинается с изучения взаимо­связи и взаимодействия между совокупностями особей одно­го вида, которые имеют единый генофонд и занимают еди­ную территорию. Такие совокупности, или, скорее, системы живых организмов, составляют определенную популяцию. Очевидно, что популяционный уровень выходит за рамки отдельного организма, и поэтому его называют надорганизменным уровнем организации.

  Популяция представляет собой первый надорганизменный уровень организации живых существ, который хотя и тесно связан с их онтогенетическим и молекулярными уровнями, но качественно отличается от них по характеру взаимодей­ствия составляющих элементов, ибо в этом взаимодействии они выступают как целостные общности организмов. По со­временным представлениям, именно популяции служат эле­ментарными единицами эволюции.

  Второй надорганизменный уровень организации живого составляет различные системы популяций, которые называ­ют биоценозами или сообществами. Они являются более об­ширными объединениями живых существ и в значительно большей мере зависят от небиологических, или абиотичес­ких, факторов развития.

  Третий надорганизменный уровень организации содержит в качестве элементов разные биоценозы и в еще большей степени характеризуется зависимостью от многочисленных земных и абиотических условий своего существования (гео­графических, климатических, гидрологических, атмосфер­ных и т. п.). Для его обозначения применяется термин биоге­оценоз, или экологическая система — экосистема.

  Четвертый надорганизменный уровень организации воз­никает из объединения самых разнообразных биогеоценозов и теперь называется биосферой.

  14. Человек: физиология, здоровье, эмоции, творчество, работоспособность. Биоэтика, человек, биосфера и космические циклы: ноосфера, необратимость времени

  Физиология человека

  Организм и окружающая среда — это единая система, так как между ними происходит непрерывный обмен веществом и энергией. Энергия необходима организму для поддержания всех его жизненно важных функций. Она выделяется за счет окисления сложных органических соеди­нений, т. е. белков, жиров и углеводов. Резервирование энергии происходит в основном в виде макроэргических связей АТФ (аденозинтрифосфорной кислоты).

  Процессы обмена веществ, происходящие на клеточном и тканевом уровнях в организме человека, называют метаболизмом. Он состоит из двух противоположных процессов: ана­болизма и катаболизма. Анаболизм — это процесс биосинтеза органических веществ, которые обеспечивают рост, раз­витие организма, обновление его структур и накопление структурной энергии. Катаболизм — это процесс расщепления или окисления сложных молекул до простых веществ с выделением энергии и резервированием ее в виде АТФ. Эти процессы обеспечивают в организме белковый, углеводный и жировой обмены.

  Система лимфообращения осуществляет постоянный отток межтканевой жидкости по направлению к сердцу. Лимфа служит для поддержания объема и состава тканевой жидкости, всасывания и переноса питательных веществ из пищеварительного канала в венозную систему, а также для учас­тия в иммунных реакциях организма посредством доставки лимфоцитов, антител и др.

  Основная функция органов дыхания — обеспечение тканей организма человека кислородом и освобождение их от углекислого газа. Внутриклеточное дыхание обеспечивает освобождение энергии, необходимой для поддержания процессов жизнедеятельности. Образующийся при этом углекислый газ (С0₂) переносится кровью к легким и удаляется с выдыхаемым воздухом. Дыхание происходит непрерывно и автоматически благодаря нервным импульсам, поступающим из дыхательного центра, расположенного в продолговатом мозге.

  Пищеварительная система человека осуществляет механическую и химическую переработку пищи для всасывания питательных веществ через стенки пищеварительного тракта и поступление их в кровь и лимфу. В пищеварительном аппарате происходят сложные физико-химические превра­щения пищи: от формирования пищевого комка в ротовой полости до всасывания и удаления непереваренных ее ос­татков. Эти процессы осуществляются в результате двигательной, всасывающей и секреторной функций системы органов пищеварения. Все пищеварительные функции регулируются нервным и гуморальным путем.

  Гормоны — это биологически активные вещества, выра­батываемые специальными железами внутренней секреции, не имеющими специальных протоков. Они поступают прямо в кровь и регулируют функции органов — мишеней. Все железы внутренней секреции делятся на центральные и пери­ферические. К центральным железам относятся гипофиз и эпифиз. Гипоталамус как структура промежуточного мозга также выделяет вещества, обладающие гормональной активностью. Периферическими железами являются щитовидная, половые, поджелудочная, надпочечники и тимус.

  Нервная система обеспечивает взаимодействие организ­ма с внешней средой и регулирует работу всех органов и систем организма. Она подразделяется на соматическую и веге­тативную, а они, в свою очередь, на центральную и перифе­рическую. Центральная нервная система состоит из спинного и головного мозга

  Особый раздел физиологии занимается изучением мате­риальных основ психической деятельности человека. Безусловные рефлексы — видовые, генетически закрепленные, стерео­типные формы поведения человека. Условные рефлексы — индивидуально приобретенные в процессе жизни и обуче­ния приспособительные реакции, возникающие на основе образования временной связи между условным раздражите­лем и безусловно-рефлекторным актом.

  Эмоции и творчество

  Деятельность человека по удовлетворению его разнооб­разных потребностей сопровождается проявлениями актив­ности человека в виде эмоциональных переживаний. Эмоции — особый класс субъективных психологических состоя­ний человека, отражающих в форме непосредственных переживаний процесс и результат практической деятельнос­ти, направленной на удовлетворение его актуальных потреб­ностей Эмоции играют в деятельности людей мобилизационную, интегративно-защитную, коммуникативную роль. Основные эмоциональные состояния, которые испытывает человек, делятся на собственно эмоции, чувства и аффекты. Формой эмоциональных переживаний является удовольствие, получаемое от удовлетворения потребностей, и неудовольствие, связанное с невозможностью это сделать при обострении соответствующей потребности. Чувства — высший продукт культурно-эмоционального развития человека; они обычно возникают в ответ на воздействие отдельных свойств окружающей среды. Они соотносятся с восприятием и оценкой сложных предметов, событий, людей, ситуаций. Проявление сильного и устойчивого положительного чувства к чему-либо или к кому-нибудь называется страстью. Устойчивые чувства умеренной или слабой силы, действующие в течение длительного времени, именуются настроениями. Аффекты — это выраженные эмоциональные состояния, сопровождаемые видимыми изменениями в поведении человека, который их испытывает. Аффект не предшествует поведению, а как бы сдвинут на его конец.

  Творчество как процесс создание него-то нового часто предполагает, что человек может испытывать недостаточность информации, знаний, умений для достижения цели и решения той или иной проблемы, поэтому ему необходимо сделать рывок в неизведанное, создать новые знания, уме­ния, новые объекты и произведения. Эмоции, вдохновение, воображение помогают сделать этот "рывок в творчество". Творчество имеет место там, где воображение свободно от оков логики за счет эмоций. Выделяют стадии творческого процесса: подготовка, созревание, Вдохновение, проверка найденного решения. Научное творчество и особенно творчество в искусстве опирается на воображение, которое, в свою очередь, неразрывно связано с эмоциями и чувствами человека. Воображение является психическим процессом, заключающимся в создании новых образцов, представлений, полученных в предшествующем опыте. Видом творческого воображения, связанного с осознанием желаемого будуще­го, является мечта.

  Здоровье и работоспособность

  Здоровье человека во многом связано с эволюционно-экологическими основами его психофизической деятельности. Ритмы жизни, урбанизация, миграция, современные биосфер-ноноосферные экологические изменения в целом предъявляют к людям новые требования.

  Кратко понятие "здоровье" можно сформулировать как состояние полного физического, умственного и социального благосостояния. Запас жизненной энергии у людей разный. Когда организм переживает состояние стресса, все его жиз­ненно важные системы подвергаются перенапряжению, будь то сердце, почки, желудок или другие органы. Они выходят из строя в зависимости от того, какой из них наиболее уязвим у каждого конкретного человека.

  Работоспособность определяет возможности организма при выполнении работы к поддержанию структуры и энергозапасов на заданном уровне. В соответствии с двумя основными типами работ — физической и умственной — различают фи­зическую и умственную работоспособность. Работоспособность зависит от текущего уровня здоровья, самочувствия челове­ка, от типологических свойств нервной системы, индивиду­альных особенностей функционирования психических процес­сов (памяти, мышления, внимания, восприятия), от оценки человеком значимости и целесообразности мобилизации определенных ресурсов для выполнения определенной деятельности. В процессе выполнения работы человек проходит через различные фазы работоспособности. Фаза мобилизации характеризуется предстартовым состоянием. При фазе врабатываемости могут быть сбои, ошибки в работе, постепен­но происходит приспособление организма к наиболее эко­номному, оптимальному режиму выполнения данной конк­ретной работы. Фаза оптимальной работоспособности (или фаза компенсации) характеризуется оптимальным, экономным режимом работы организма и хорошими, стабильными результатами, максимальной производительностью и эффек­тивностью труда. Затем, во время фазы неустойчивости ком­пенсации, происходит своеобразная перестройка организма: необходимый уровень работы поддерживается за счет ослаб­ления менее важных функций, дополнительных физиологи­ческих процессов, менее выгодных энергетически и функционально.

  Вопросы биомедицинской этики

  Биоэтику, или сложные поведенческие программы, присущие животному миру, следует рассматривать как есте­ственное обоснование человеческой морали. Много призна­ков, присущих человеку, обусловлено генетически. И толь­ко часть человеческих черт обусловлена воспитанием, образованием и другими факторами внешней среды обита­ния. Поэтому суть эволюции составляет процесс передачи ге­нов от поколения к поколению. Все человеческие действия — это его поведение.

  С помощью биоэтики можно ответить на вопрос о про­исхождении таких важнейших проявлений человеческого разума, как мораль и этика. Этологи — специалисты по поведению животных — открыли у них большой набор интенсивных запретов, необходимых и полезных в общении с сородичами. Все эти врожденные запреты возникают под жестким давлением отбора ради выполнения задачи сохранения вида

  Биосфера

  Современная наука считает, что примерно 1 млрд лет назад произошло разделение живых существ на два цар­ства — растений и животных. Различия между ними можно разделить на три группы: 1) по структуре клеток и их спо­собности к росту; 2) по способу питания; 3) по способности к движению.

  У животных клеток есть центриоли, но нет хлорофилла и клеточной стенки, мешающей изменению формы. Большин­ство растений необходимые для жизни вещества получают в результате поглощения минеральных соединений. Животные питаются готовыми органическими соединениями, которые создают растения в процессе фотосинтеза.

  Классификация растений и животных построена в соот­ветствии с их отличительными признаками. Основной струк­турной единицей был признан вид, а более высокие уровни составили последовательно род, отряд, класс.

  Биосфера, по В. И. Вернадскому, — это организованная, определенная оболочка земной коры, сопряженная с жизнью. Пределы биосферы обусловлены прежде всего полем суще­ствования жизни. Биосфера — не просто одна из существу­ющих оболочек Земли, подобно литосфере, гидросфере или атмосфере. Основное отличие биосферы состоит в том, что она — организованная оболочка. Быть живым — значит быть организованным, отмечал В. И. Вернадский, и в этом состоит суть понятия биосферы как организованной оболочки Земли,

  Жизнь на Земле ныне полностью зависит от фотосинтеза; Фиксируя энергию солнечного света в продуктах фотосинтеза, растения выполняют космическую роль энергетического очага на Земле. Под фотосинтезом понимается: превращение зелеными растениями и фотосинтезирующими микроорганизмами при участии энергии света и поглощающих свет пигментов (хлорофилл и др.) простейших соединений (воды, углекислого газа и минеральных элементов) в сложные органи­ческие вещества, необходимые для жизнедеятельности всех организмов.

  Экология

  Экология изучает орга­низацию и функционирование надорганизменных систем раз­личных уровней: популяций, сообществ, экосистем. Эколо­гия изучает взаимодействие организмов с окружающей сре­дой, создавая целостную картину на основе всей доступной информации. При этом термодинамический подход играет одну из ведущих ролей. Экология сформировалась в прин­ципиально новую интегрированную дисциплину, связываю­щую физические и биологические явления и образующую мост между естественными и общественными науками.

  Если учение о биосфере подняло биологию с уровня от­дельных видов к целостности высшего порядка, то экология изучает различные уровни целостности, промежуточные между организменным и глобальным. Экология показала, что живой мир — не совокупность живых существ, а единая система, связанная множеством цепочек обитания и иных взаимоотношений. Если даже небольшая часть его погибнет, погибнет и все остальное.

  Принцип равновесия играет в живой природе огромную роль. Равновесие существует между видами и смещение его в одну сторону, скажем, уничтожение хищников, может привести к исчезновению жертв, которым не будет хватать пищи. Есте­ственное равновесие существует также между организмом и окружающей его неживой средой. Великое множество равно­весий поддерживают общее равновесие в природе.

  В экосистемах необходим период эволюционного приспо­собления к условиям среды, который называется адаптацией.

  Экологическая проблема с точки зрения ее генезиса воспроизводит ступени развития противоречия между природой и обществом как развития любого противоречия: от единства и равновесия к дисгармонии и конфронтации.

  Ноосфера

  Ноосфера есть новое геологическое явление на нашей планете. В ней впервые человек становится крупнейшей геологической силой. Он может и должен перестраивать своим трудом и мыслью область своей жизни. В задачу человека эпохи ноосферы входит правильное, рациональное использование ресурсов Земли, не нарушая экологического равновесия во всех направлениях. Земная ноосфера оказывается непосредственно связанной с космосом.

  Труды Вернадского позволяют более обоснованно ответить на поставленный вопрос, поскольку в них указан ряд конкретных условий, необходимых для становления и существования ноосферы. Перечислим эти условия:

  1)  резкое преобразование средств связи и обмена между 1 странами;

  2)  усиление связей, в том числе политических, между  всеми странами Земли;

  3) начало преобладания геологической роли человека над другими геологическими процессами, протекающими в биосфере;

  4) расширение границ биосферы и выход в космос;

  5)   открытие новых источников энергии;

  6)   равенство людей всех рас и религий;

  7)   увеличение роли народных масс в решении вопросов внешней и внутренней политики;

  8) свобода научной мысли и научного искания от давления религиозных, философских и политических воззрений и со­здание в государственном строе условий, благоприятных для свободной научной мысли;

  10) продуманная система народного образования и подъем благосостояния трудящихся. Создание реальной возможно­сти не допустить голода, нищеты и ослабить влияние болез­ней;

  11) разумное преобразование первичной природы Земли с целью сделать ее способной удовлетворить все материаль­ные, эстетические и духовные потребности численно возра­стающего населения;

  12) исключение войн из жизни общества.

  15. Самоорганизация в живой и неживой природе. Принципы универсального эволюционизма

  
  

  В настоящее время концепция самоорганизации получает все большее распространение не только в естествознании, но и в социально-гуманитарном. Поскольку большинство наук изучают процессы эволюции систем, постоль­ку они вынуждены анализировать и механизмы их самоорга­низации. Вот почему концепция самоорганизации становится парадигмой исследования обширного класса систем и совер­шающихся в них процессов и явлений. Обычно под парадиг­мой в науке подразумевают фундаментальную теорию, ко­торая применяется для объяснения широкого круга явлений, относящихся к соответствующей области исследования. Примерами таких теорий могут служить классическая механика Ньютона или эволюционное учение Дарвина. Сейчас значе­ние понятия парадигмы еще более расширилось, поскольку оно применяется не только к отдельным наукам, но и к меж­дисциплинарным направлениям исследований. Типичными примерами таких междисциплинарных парадигм являются возникшая полвека назад кибернетика и появившаяся чет­верть века спустя синергетика.

  Под самоорганизацией мы понимаем необратимый процесс, приводящий в результате кооперативного действия подсистем к образованию более сложных структур всей системы. Самоорганизация — элементарный процесс эволюции, состо­ящей из неограниченной последовательности процессов са­моорганизации. Термин "самоорганизация" используется для обозначения диссипативной самоорганизации, т. е. образова­ния диссипативных структур. Наряду с диссипативной само­организацией существуют и другие формы самоорганизации, такие как консервативная самоорганизация (образование структур кристаллов, биополимеров и т. д.) и дисперсионная самоорганизация (образование солитонных структур).

  Для объяснения процессов самоорганизации рассматрива­ются открытые системы, которые способны обмениваться с окружающей средой веществом, энергией или информацией. Открытая система не может быть равновесной, потому что ее функционирование требует непрерывного поступления энергии и вещества из внешней среды, вследствие чего не­равновесие в системе усиливается. В конечном итоге прежняя взаимосвязь между элементами системы, т. е. ее пре­жняя структура, разрушается. Между элементами системы возникают новые согласованные связи. Благодаря этому ока­залось возможным развить новую нелинейную и неравновес­ную термодинамику необратимых процессов, которая стала основой современной концепции самоорганизации. Для более общего и глубокого представления о конкретных механиз­мах самоорганизации рассмотрим основные понятия и прин­ципы синергетики.

  Эволюционная теория Дарвина послужила мощным толч­ком для развертывания исследований о механизмах разви­тия различных природных и социальных систем. Если физи­ческие и химические методы исследования многое дали для анализа структуры и функционирования живых систем, то эволюционная концепция биологии заставила физиков и хи­миков по-новому взглянуть на объекты своих исследований и природу в целом. В самом деле, если в теории Дарвина эво­люция приводила к совершенствованию и усложнению жи­вых систем в результате их адаптации к изменяющимся ус­ловиям среды, то в классической физике она связывалась с дезорганизацией и разрушением системы. Такое представле­ние вытекало из второго начала термодинамики, согласно которому закрытая система постепенно эволюционирует в сторону беспорядка, дезорганизации и увеличения энтропии. Понятие энтропии характеризует ту часть полной энергии системы, которая не может быть использована для произ­водства работы. Поэтому, в отличие от свободной энергии, она представляет собой деградированную, отработанную энергию.

  Согласно второму закону термодинамики энтропия в зам­кнутой системе постоянно возрастает и в конечном счете стре­мится к своему максимальному значению. Следовательно, по степени возрастания энтропии можно судить об эволюции зам­кнутой системы, а тем самым и о времени ее изменения. Немецкий ученый Л. Больцман стал интерпретировать энтро­пию как меру беспорядка в системе. Таким образом, второй закон можно было теперь сформулировать так: замкнутая система, предоставленная самой себе, стремится к достиже­нию наиболее вероятного состояния, заключающегося в ее максимальной дезорганизации. К такому равновесному состо­янию в соответствии со вторым началом термодинамики при­ходят все закрытые системы, т.е. системы, не получающие энергии извне. Противоположные по типу системы носят на­звание открытых.

  Резкое противоречие между биологической и физической эволюцией удалось разрешить только после того, когда фи­зика обратилась к понятию открытой системы, т.е. системы, которая обменивается с окружающей средой веществом, энер­гией и информацией. При определенных условиях в откры­тых системах могут возникнуть процессы самоорганизации в результате получения новой энергии и вещества извне и дис­сипации, или рассеяния, использованной в системе энергии. Таким образом, было установлено, что ключ к пониманию процессов самоорганизации содержится в исследовании про­цессов взаимодействия системы с окружающей средой.

  Теория самоорганизации, возникшая на основе исследо­вания простейших физико-химических систем, оказалась способной объяснить многие эволюционные процессы, про­исходящие в биологических, экологических и даже социаль­но-культурных системах. Но главное преимущество ее со­стоит в том, что новая парадигма помогает взглянуть на мир и составляющие ее системы с точки зрения их возникнове­ния и развития без привлечения каких-либо мистических сил. Учение самоорганизации может раскрыть механизмы эволю­ции, происходящие от простейших систем живой природы до сложных форм эволюции в биологических, социально-эко­номических и культурно-исторических системах.

  Несмотря на существенное отличие эволюции неживой природы от эволюции биологической, между ними существу­ет также большое сходство и, можно даже сказать, глубо­кая аналогия. С этой точки зрения представляется интерес­ным определение жизни, данное известным австрийским фи­зиком Э. Шредингером: "Жизнь — это упорядоченное и закономерное поведение материи, основанное не только на одной тенденции переходить от упорядоченности к неупоря­доченности, но и частично на существовании упорядоченно­сти, которая поддерживается все время. Средством, при по­мощи которого организм поддерживает себя на достаточно высоком уровне упорядоченности (равно на достаточно низ­ком уровне энтропии), является энергия, получаемая орга­низмом из окружающей среды с продуктами питания".

  Многие видные ученые характеризуют также социальную эволюцию как продолжение биологической или генетической эволюции другими средствами. Некоторые даже считают куль­туру более мощным средством приспособления. Новейшая концепция эволюции, опирающаяся на парадигму самоорга­низации, оказывается более адекватной и для анализа соци­ально-культурной эволюции.

  Социальная эволюция так же, как и эволюция природ­ная, возникает в результате взаимодействия с окружающей средой. В природе адаптация к изменениям среды происхо­дит путем естественного отбора, в результате которого по­беждают в борьбе за существование и оставляют потомство наиболее приспособленные к условиям существования груп­пы растений и животных. Таким образом, эволюция здесь происходит путем генетической передачи информации от ро­дителей к потомкам.

  У общества существуют свои методы и средства переда­чи приобретенного опыта, причем не только индивидуаль­ного, но и социального характера. Эти методы характеризуют как традиции. Традиции придают социальной эволюции более ускоренный характер по сравнению с эволюцией гене­тической, которая наблюдается в природе. Сюда относятся все способы передачи опыта, начиная от простейших навы­ков и правил поведения и кончая сложнейшими приемами профессиональной деятельности, накопленными знаниями и общечеловеческими нормами поведения. Действительно, со­циальная и культурная эволюция связана не с только с пе­редачей индивидуального опыта, навыков, знаний и правил поведения и традиций в целом всех предшествующих поко­лений людей в той мере, в какой они зафиксированы и объективизированы в результате практической и интеллектуаль­ной деятельности.

  Таким образом» самоорганизация выступает как источник эволюции систем, жизни и общества, так как она служит началом процесса возникновения новых и более сложных структур в развитии системы.

  16. Путь к единой культуре

  
  

  В историческом процессе определенный уровень развития общества и человека, его познавательные и творческие способности, а также его воздействие и взаимоотношение с окружающей природой определяется состоянием их культуры. В переводе с латинского "культура" (cultura) означает "возделывание, воспитание, образование, развитие". В ши­роком смысле слова — культура — это все, что, в отличие от данного природой, создано человеком. Наука является одной из отраслей или разделов культуры. Если в древности важное место в системе культуры занимала мис­тика, в античности— мифология, в средневековье — религия, то можно утверждать, что в современном обществе в ней доминирует влияние науки.

  Наука отличается от других форм общественного созна­ния и культуры следующим:

  —      от мифологии тем, что стремится не к объяснению мира в целом, а формулирует законы развития природы. Миф возникает на разных этапах истории развития человечества как повествование, сказание, фантастические образы которого (боги, легендарные герои, события и т. п.) были попыткой обобщить и объяснить различные явления природы и общества. Достаточно вспомнить мифологических богов и героев у древних греков, чтобы представить содержание мифологии (Зевс — громовержец, Посейдон — бог морей, Афина — покровительница наук, Афродита — богиня любви и т. д.);

  —  от мистики тем, что стремится не к слиянию с объек­том исследования, а к его теоретическому пониманию. Мис­тика же возникла как элемент тайных образов религиозных обществ Древнего Востока и Запада. Главное в этих обра­зах — это общение человека с богом или каким-либо другим таинственным существом. Подобное общение, согласно мис­тике, достигается якобы через озарение, экстаз, откровение и т. д.;

  —  от религии тем, что разум и опора на чувствительную реальность в науке имеет большее значение, чем вера. В на­уке преобладает разум, но в ней также имеют место и вера в познавательные возможности разума, и интуиция, особен­но при формировании гипотез. Наука может сосуществовать с религией, поскольку внимание этих отраслей культуры ус­тремлено на разные вещи: в науке — на эмпирическую ре­альность, в религии — преимущественно на внечувственное (вера). В отличие от научного мировоззрения, религиозное мировоззрение выражается в общении с "божеством", со сверхъестественным при помощи молитв, таинств, святынь, символов. Оно основано на молитвенном и жертвенном отно­шении к сверхъестественному, признание которого всегда скрыто в глубинах мировых религий;

  —  от философии тем, что ее выводы допускают эмпири­ческую проверку от искусства отличается своей рациональностью, не останавливающейся на уровне образов, а доведенной до уровни теорий. Искусство представляет собой одну из форм общественного сознания, которая отражает действительность «художественных образах;

  —      от идеологии  тем, что ее истины общезначимы и не отходят от интересов определенных слоев общества;

  —      от техники тем, что наука нацелена не на использование полученных знаний, а на само познание мира.

  Наука — это сфера человеческой деятельности, представ­ляющая собой рациональный способ познания мира, в кото­рой вырабатываются и теоретически систематизируются зна­ния о действительности, основанные на эмпирической про­верке и математическом доказательстве.

  Как многофункциональное явление наука представляет со­бой: 1) отрасль культуры; 2) способ познания мира; 3) опреде­ленную систему организованности (академии, университеты, вузы, институты, лаборатории, научные общества и издания).

  Существует определенная внутренняя структура и клас­сификация современных наук.

  Фундаментальными считаются естественные, гуманитар­ные и математические науки, а прикладными являются тех­нические, медицинские, сельскохозяйственные, социологи­ческие и другие науки.

  Задачей фундаментальных наук является познание зако­нов, управляющих взаимодействием базисных структур при­роды. Фундаментальные научные исследования определяют перспективы развития науки.

  Непосредственной целью прикладных наук является при­менение результатов фундаментальных наук для решения не только познавательных, но и социально-практических проблем. Так, современный этап научно-технического про­гресса связан с развитием авангардных исследований при­кладных наук: микроэлектроники, робототехники, информа­тики, биотехнологии, генетики и др. Эти направления, со­храняя свою прикладную направленность, приобретают фундаментальный характер.

  Результатами научных исследований являются теории, за­коны, модели, гипотезы, эмпирические обобщения. Все эти понятия, каждое из которых имеет свое определенное значе­ние, можно объединить одним словом "концепции". Понятие "концепция" (определенный способ трактовки какого-либо пред­мета, явления, процесса) происходит от латинского conceptio — понимание, система. Концепция, во-первых, — это система взглядов, то или иное понимание явлений, процессов. Во-вто­рых, — это единый определяющий замысел, ведущая мысль какого-либо произведения, научного труда и т. д.

  
  
Скачать реферат