Реферат: Концепции современного естествознания

СМОЛЕНСКИЙ ИНСТИТУТ БИЗНЕСА И ПРЕДПРИНИМАТЕЛЬСТВА

Сычев М.М.

КОНЦЕПЦИИ СОВРЕМЕННОГО ЕСТЕСТВОЗНАНИЯ

СОДЕРЖАНИЕ

Введение. Две культуры как отражение двух типов мышления

Этапы развития естественно-научного мышления. История естествознания.

Развитие физико-химической биологии

Панорама современного естествознания и его незавершенность.

Литература

Раздел 1. ФИЗИКА ГЛАЗАМИ ГУМАНИТАРИЯ: ОБРАЗЫ ФИЗИКИ

Пространство, время и материя в контексте культуры

Литература

Тема 1.1. Физика необходимого

Мир дискретных объектов — физика частиц

Состояние физической системы и его изменение со временем.

Импульс, энергия и момент системы как меры движения.

Мир непрерывных объектов — физика полей (континуум).

Сплошная среда и упругие волны

Взаимодействие: концепции близкодействия и дальнодействия

Электромагнитное поле и электромагнитные волны

Интерференция, дифракция и поляризация света.

Литература

Тема 1.2. Физика возможного

Мир микрообъектов — квантовая физика.

Атомы, молекулы, кристаллы.

Периодический закон Менделеева

Квантовые переходы и излучение.

Атомы и молекулы

Мир реальных макрообъектов — статистическая физика.

Тепловое равновесие и флуктуации. Неравновесные состояния и релаксация.

Тепловая физика: от Карно к Гиббсу

Энергия, температура, энтропия.

Ближний и дальний порядки в природе.

Микропорядок и макропорядок. Ближний и дальний порядок.

Фазовые переходы и симметрия.

Необратимость — неустранимое свойство реальности. Стрела времени.

Литература

Тема 1.3. Физика как целое

Иерархия структур природы

Микромир

Физический вакуум как реальность.

Макромир

Мегамир Звезды. Галактики. Вселенная.

Вариационные принципы

Принцип дополнительности

Принципы симметрии и законы сохранения.

Литература

Тема 1.4. От физики существующего к физике возникающего

Современная физическая картина мира

Креативная роль физического вакуума

Этапы эволюции горячей Вселенной, неоднозначность сценария и антропныйпринцип.

Происхождение галактик и Солнечной системы

Земля: происхождение и динамика геосфер

Роль живых организмов в эволюции Земли

Литература

Раздел 2. ЖИЗНЬ

От атомов к протожизни. Неорганические и органические соединения и ихмногообразие

Кислоты, основания, соли

Химия жизни

Особенности биологической формы организации материи. Молекулы живыхсистем.

Матричный синтез. Информационные макромолекулы.

Тема 2.1. Живые системы

Принципы взаимодействия организма и среды обитания.

Принципы воспроизводства и развития живых систем.

Клеточное строение организмов. Принципы структурной организации ирегуляции метаболизма.

Жизненный цикл клетки.

Единство и многообразие клеточных типов.

Дифференциация и интеграция функций в организме.

Размножение и развитие организмов.

Смерть и ее биологический смысл.

Многообразие биологических видов — основа организации и устойчивостибиосферы.

Принципы систематики и таксономии

Планы строения и принципы функционирования представителей основныхтаксонов.

Эволюционное и индивидуальное развитие. Онтогенез и филогенез.

Генетика и эволюция.

Литература

Тема 2.2. Человек: организм и личность

Положение человека в царстве животных

Отличительные особенности человека.

Мозг и высшая нервная деятельность

Эмоции

Природа агрессии.

Природа наслаждений

Биосоциальные основы поведения.

Половое поведение человека

Происхождение человека

Этапы антропогенеза

Биологические предпосылки и факторы антропогенеза

Проблемы цефализации

Биосоциальная природа человека

Экология и здоровье. Биополитика

Литература

Тема 2.3. Биосфера и цивилизация

Круговороты вещества и энергии.

Биосфера

Эволюция биосферы

Ресурсы биосферы

Пределы устойчивости биосферы

Биопродуктивность биосферы

Ресурсы биосферы и демографические проблемы

Антропогенные воздействия на биосферу

Экологический кризис и пути его преодоления

Принципы рационального природопользования

Охрана природы

Экология человека

Социальная экология

Антропоцентризм, биоцентризм и решение социальных проблем

Пути развития экономики, не разрушающей природу.

Экологическое право

Что мы можем сделать для сохранения жизни на Земле?

Человек, биосфера и космические циклы.

Литература

Тема 2.4. Основные концепции и перспективы биологии

Раздел 3. ЭВОЛЮЦИОННО-СИНЕРГЕТИЧЕСКАЯПАРАДИГМА: ОТ ЦЕЛОСТНОГО ЕСТЕСТВОЗНАНИЯ К ЦЕЛОСТНОЙ КУЛЬТУРЕ

Тема 3.1. От “Бытия” к “Становлению”

Формирование эволюционного естествознания. Историко-философские аспектысовременной естественно-научной картины мира

Тема 3.2. Принципы синергетики, эволюционная триада исистемный подход.

О направлении самопроизвольных процессов

Критерий устойчивости систем, далеких от равновесия.

Порядок и энтропия

Механизмы эволюции

Литература

Тема 3.3. Качественные методы в эволюционных задачах.

Начала нелинейного мышления. Пространства состояний системы идинамическая модель

Диссипативные системы вдали от равновесия

Литература

Тема 3.4. Динамический хаос — фундаментальное свойствореальности

Тема 3.5. Самоорганизация в живой и неживой природе

Информационные аспекты синергетики

Литература

Заключение.

Литература

СМОЛЕНСКИЙИНСТИТУТ

бизнеса ипредпринимательства

------------------------------------------------------------------------------------------

учебно-деловойцентр морозовского проекта

214018, г.Смоленск Гагарина 22а

Телефон / факс: (0812) 65-99-13, 65-99-14

E-mail: root@businst.smolensk.su

http://globus.smolensk.ru/user/businst/welcome.htm

или

http://sibe.da.ru

Введение.Две культуры как отражение двух типов мышления

Проблема двух культур: отконфронтации к сотрудничеству. Развитие личности и потребность в гармонии.Культура (от лат.: возделывание, воспитание, образование, развитие, почитание)- способ организации и развития человеческой жизнедеятельности, представленныйв продуктах материального и духовного труда, в системе социальных норм иучреждений, в духовных ценностях, в совокупности отношений людей к природе,между собой и к самим себе.

Культура характеризует такжеособенности поведения, сознания и деятельности людей в конкретных сферахобщественной жизни. Культура представляет собой меру человеческого в человеке.Надбиологический характер культуры — ее важнейшая особенность.

Считается, что исходно культура былаединой, а разрыв гуманитарного и естественнонаучного знания является чертойНового времени (Теория “двух культур” Ч.Сноу).

Существование “двух культур” иногдапытаются объяснить дефектами системы образования, которые, как кажетсянекоторым, легко исправить: достаточно дать студентам-гуманитариям какие-то(неизбежно поверхностные) знания о достижениях естественных наук.

Однако корни дихотомии лежат глубже.Естественные науки имеют дело с Природой в целом и с человеком, как природнымтелом. Гуманитарные дисциплины — с духовным миром человека. Различные посуществу объекты требуют разных подходов (наука — мышление в понятиях,искусство — мышление в образах), что в условиях дифференциации наук в Новоевремя не могло не привести к известному расхождению в развитии двух сферкультуры.

С эпохи Возрождения вот уже пятьстолетий наука и искусство существуют и развиваются как самостоятельные иобособленные друг от друга сферы человеческой деятельности, и именно отсюдаберет свое начало проблема соотношения науки и искусства (И.Т.Фролов,1989).

В дальнейшем по мере развития наукисфера искусства все более отдаляется от нее. Наука все более утверждается вкачестве универсальной формы познания.

В противовес этому развиваютсяэстетические концепции, в которых, как это имело место у немецких и французскихромантиков, видению художественного гения отдается предпочтение перед научнымпознанием. Это получило философское обоснование в учении Канта о“трансцендентальной эстетике”, а также в “Системе трансцендентальногоидеализма”, где гениальность трактуется как “непостижимая”, “темная неведомаясила”.

По Канту, гениальность можетпроявляться только в области художественного творчества, противопоставляемого вэтом отношении научному познанию, где ученый может быть талантлив, даже велик,но его достижения доступны пониманию с помощью рассудка.

Шеллинг развивает версию о “магииискусства”, реализующего “бесконечность бессознательности”, называя его“чудом”, которое недоступно конечному рассудку. Наука поэтому оказывается уШеллинга чем-то низшим по сравнению с искусством, которому “надлежит бытьпрообразом науки, и наука лишь поспешает за тем, что уже оказалось доступнымискусству”.

Гегель считал искусство лишь особойформой познания, постигающей истину в чувственной форме. Поскольку жесуществуют более совершенные категориальные формы воплощения истины в науке ифилософии, искусство оказывается подчиненным, второстепенным моментом в общемпроцессе постижения абсолютной идеи. Тем не менее Гегель показал великоепознавательное значение искусства.

Гете был не только великим художником- поэтом, писателем, но и выдающимся естествоиспытателем. Он стремился найтиединые принципы для научного анализа природы и для художественной деятельностив искусстве. Гете развил учение о “первичном феномене”, по которому человек вединичном может увидеть всеобщее, в явлении — раскрыть сущность, пользуясь“созерцательной способностью суждения”.

В самом творчестве Гете выявляетсяего понимание возможной гармонии науки и искусства, истины и красоты. Однако втеории ведущим началом в гармонии истины и красоты Гете признавал все жеискусство, где царствует творческое надприродное, демоническое, несоизмеримое инедоступное для рассудка.

Чтобы наука не находилась вантагонизме к гуманизму, она, согласно Гете, должна учиться у искусствапостигать целостность. Научное познание должно быть связано с критериемкрасоты. С другой стороны, в познании природы средствами науки не следуетпреуменьшать роль образного мышления, воображения, интуиции. Возражая противнесовместимости науки и поэзии, он писал, что “в ходе времен обе отлично могутк обоюдной пользе снова дружески встретиться на более высокой ступени”.

Однако в последующем произошло ещеболее резкое разделение науки и искусства в сфере познания, осуществляемого влогических, рациональных формах (наука) и интуитивных, иррациональных(искусство). Более того, за искусством вообще не стала признаваться какая-либопознавательная функция (сциентизм).

У Шопегауэра можно встретить парадоксо том, что гений в искусстве должен быть глуп, поскольку он творит неразмышляя.

Шеллинг полагал, что создательхудожественного произведения “необходимо является скорее профаном, чем посвященным”,ибо он не познает, а только “открывает” сокровеннейшие из всех тайн.

С другой стороны, усиливаютсясциентистские атаки на искусство, которые все более аппелируют к современнойнаучно-технической революции, которая, казалось, способна захватить всех и всяи привести к абсолютному торжеству научной и технической рациональности.

Поскольку прогнозы относительновытеснения искусства наукой не подтвердились, актуальной стала проблемавзаимоотношения двух культур — “научной” и “художественной”.

Дискуссия по проблеме взаимодействиянауки и искусства в условиях современной научно-технической революции началасьв 1959 г., после того как английский писатель, физик по образованию, ЧарльзСноу выступил в Кембридже (США) с лекцией “Две культуры и научная революция”.

Сноу выдвинул концепцию “двухкультур”, доказывая, что духовный мир и практическая деятельность западнойинтеллигенции все явственнее поляризуются, раскалываясь на две противоположныечасти: на одном полюсе — художественная интеллигенция, на другом — ученые. Ихразделяет стена непонимания, а иногда даже антипатии и вражды; они настолько поразному относятся к одним и тем же вещам, что не могут найти общего языка дажев плане эмоций.

Художественная интеллигенция считает,что ученые не представляют себе реальной жизни и им свойствен поверхностныйоптимизм, тогда как ученые склонны считать, что у художественной интеллигенциинет дара провидения, что она проявляет странное равнодушие к участичеловечества, ей чуждо все, что имеет отношение к разуму, и т.п.

Нельзя сказать, что Сноу объяснилпричины возникновения “двух культур”. Было бы преувеличением сказать также, чтоСноу указал пути преодоления поляризации “двух культур”. Однако он остропоставил многие больные вопросы и привлек к ним общественное внимание.

Книга Сноу породила бурные дискуссииво всем мире. У нас в стране дискуссию открыла “Комсомольская правда” 2сентября 1959 г. статьей И.Эренбурга “Ответ на одно письмо”. В спорах означении науки и искусства приняли участие как “физики”, так и “лирики” — крупные ученые, писатели, художники, представители общественности.

Конечно, с точки зрения сегодняшнегодня многое в этих дискуссиях кажется неглубоким, далеким от реальных проблем. Ивсе же, это был важный этап общественного воспитания и осознания проблемкультуры в условиях научно-технической революции.

В ходе дискуссии за круглым столом,которую организовал журнал “Вопросы философии” (1976) участники ееподчеркивали, что традиционное противопоставление науки искусству, точных наук- гуманитарным отживает свой век. Математические методы проникают влитературоведение, теорию музыки и т.д. На стыке точных и гуманитарных науквозникают “странные” на первый взгляд дисциплины, например, искусствометрия.ЭВМ сочиняют музыку, пишут стихи, создают оригинальные образцы декоративногоискусства.

Различия между “точными” и“гуманитарными” науками — это иллюзия, так как по сути своей мир един. Длятого, чтобы понять многие аспекты гуманитарных наук, нужны определенныеестественно-научные познания и наоборот (Ичас, 1994).

…различие между гуманитарными и естественными науками, столь резкое в средниевека, ныне не принципиально, а, скоре, стадиально

(Л.Н.Гумилев.Этногенез и биосфера Земли).

В прошлом веке известный русскийфизиолог И.Сеченов говорил о том, что понять Человека можно только в егоединстве — плоти, духа и природы, частью которой он является. Десятком летпозже Маркс сказал: в будущем все науки о природе и обществе должны будутслиться в единую науку о Человеке.

Однако сколь глубоко будет это“слияние” и в чем конкретно оно будет выражаться?

Глубокая общность науки и искусстваопределяется тем, что и то и другое есть и познание, и творчество. Стремление кпознанию и творчеству запрограммировано в человеке генетически, оно являетсярезультатом необратимого развития Вселенной в целом, эволюционного развитиябиосферы. Единство науки и искусства — важнейший залог последующего развитиякультуры.

У человека имеются способности и кнаучному, и к художественному творчеству. Но, по-видимому, различные сторонычеловеческой природы будут всегда проявляться неодинаково. Это дает основаниедумать, что при всем единстве, гармонии, взаимодействии познавательной,рациональной и художественной, эмоционально-образной деятельности они никогдане достигнут того “слияния”, о котором порой говорят теоретики как о некоторойперспективе человека.

Ведь различия здесь детерминируются ибиологически, поскольку, как установила современная наука о мозге, каждое егополушарие воспринимает мир по своему: правое — в образно-эмоциональном виде, алевое — в рационально-логическом, и у разных людей деятельность полушарий мозгапроявляется по разному.

Способности к научной ихудожественной деятельности будут не “сливаться”, а еще ярче расцветать иглубже интегрироваться. Роль искусства в жизни человека будет все болеевозрастать и все больше будет повышаться его значение в общем развитиикультурных ценностей человечества, в том числе этических, выступающих в ролисвоеобразного регулятора научного познания.

Наука и искусство имеют различныесредства, задачи и цели. Принято считать, что наука способствует пониманиюокружающего нас мира, искусство же стремится понять и выразить отношениечеловека и к окружающему миру, и к тому, как этот мир трактует наука, и,наконец, к тому, как отражает само искусство и человека, и науку, и весьокружающий мир.

И все же в конечном счете наука иискусство воздвигают не два различных изолированных здания, в которых, согласноутверждениям Сноу, независимо произрастают две разные культуры, а единое здание- общечеловеческую культуру.

В этом здании наука призвана служитьпостижению Истины, а искусство — воспевать, отвоевывать и создавать Красоту.Достаточно вспомнить, что Истина красива, а Красота истинна, чтобы понять: вседостижения человеческой культуры смыкаются в неразрывный круг. (Е.Седов)

Этапы развитияестественно-научного мышления. История естествознания

Считается, что науки, составляющиеестествознание, зародились в Древней Греции. Предшествующий этому период вразвитии культуры можно назвать мифологическим.

Древние философские системы носиликрайне наивный характер. Индийцы, халдеи, египтяне до науки о природе дойти несумели. Религиозно-мистические воззрения не могли породить идею о естественнойзакономерности явлений.

Значительно глубже и последовательнейосмысливали мир философы античной Греции. Вот почему древняя физика являетсяпочти целиком физикой греков.

Наука зародилась тогда, когда люди,осмысливая и систематизируя накопленный опыт, стали искать объяснения природы вней самой.

Первый греческий физик ФалесМилетский (640-550 до н.э.), родоначальник античной философии, основательмилетской школы, возводил все многообразие явлений и вещей к воде: “Начало всехвещей — вода, из воды все происходит и все возвращается к воде”.

Анаксимандр (610-547 до н.э.), представительмилетской школы, — началом начал считал некое первичное вещество, апейрон,качественно неопределенное и бесконечное, из которого выделяются первоначальныепротивоположности тепла и холода, сухости и влажности.

Анаксимен (ок. 585 — ок. 525 до н.э.),представитель милетской школы первоосновой всего считал воздух, из сгущения илиразрежения которого возникают все вещи.

В основе учения натурфилософовионийской школы лежит единое первоначальное вещество, которое превращается вовсе другие вещества и порождает весь видимый мир. (Очевидна генетическая связьс современными представлениями о едином поле).

Пифагорейцы (Пифагор Самосский(582-500 до н.э.) выдвигали на передний план не столько первоначальноевещество, сколько распределение вещей в природе, их число и меру. Мистическоечисловое учение впоследствии слилось с астрологией. Математическая теорияПифагора мало чем обогатила науку. Однако пифагорейцы первые выдвинули идею ошарообразности Земли. При этом они не опирались на какие-либо эмпирические данные.Идея основывалась на требованиях геометрической гармонии: Земле придалинаиболее совершенную форму. В центре Вселенной пифагорейцы поместили чистейшееиз веществ — огонь.

Гераклит из Эфеса (540,530-470 дон.э.), представитель ионийской школы, высказал идею непрерывного изменения(Panta rei): все течет. Никто не входил дважды в один и тот же поток, ибо водыего, постоянно текущие, меняются… Текут наши тела, как ручьи, и материя вечновозобновляется в них, как вода в потоке.

Панта рей. И никто не был дважды водной и той же реке. Ибо через миг и река не та, и сам он уже не тот.

В основе мироздания лежит огонь: мирбыл, есть и будет вечно живущее пламя, вечно живой огонь, которыйсамопроизвольно возжигается и угасает.

Война — отец всего, царь всего. Все ипроисходит и уничтожается в силу раздора. Без борьбы нет противоположностей,без противоположностей нечему соглашаться, нет жизни, мира, гармонии. Всерасторгается внутренней враждой и стремлением к высшему единству дружбы игармонии.

Анаксагор (500-428 до н.э.) выдвинулучение о неразрушимых элементах. На надгробии ему написано: “Здесь покоитсяАнаксагор, который достиг крайнего предела истины, познав устройствоВселенной”.

Главное сочинение Анаксагора “Оприроде”. Он не признает превращения вещества при видоизменении предметов,считая, что такое видоизменение происходит от соединения и разъединениямельчайших, невидимых глазу частиц материи.

Обычно книги по атомной физикеначинаются с упоминания об атомах Демокрита. Но ведь это только развитие идеиАнаксагора. Более того, он даже на много веков предвосхитил закон сохранениямассы, лежащий в фундаменте современного естествознания:

“Греки ошибочно полагают, что будточто-либо начинается или прекращается; все сводится к сочетанию или разъединениювещей, существовавших от века. Вернее было бы признать возникновениесочетанием, а прекращение разъединением”.

В основе учения Анаксагора лежалопредставление о духе. Вначале Вселенная представляла собой хаос элементов, итолько дух, разум соединил между собой незримые частицы. Дух Анаксагорапротивоположен материи.

Идея Анаксагора вылилась в болеестрогие формы в учении Эмпедокла (492-432 до н.э.). Подобно своему учителю онпишет книгу “О природе”, в которой высказывает свое кредо: “Безумцы полагают,что может возникнуть что-либо никогда не бывшее или погибнуть, исчезнуть безследа что-либо существующее. Я постараюсь открыть вам истину. В природе нетвозникновения того, что может умереть; нет полного уничтожения; ничего, кромесмешения и разъединения сочетанного. Только невежды называют это рождением исмертью”.

У Эмпедокла четыре стихии: земля,вода, воздух и огонь, т.е. три агрегатных состояния вещества и энергия. СтихииЭмпедокла неизменны и неспособны возникнуть одна от другой. Они вступаютполностью или частями в различные комбинации друг с другом. В результатеполучаются все “вещи” Вселенной, которые в свою очередь подвержены дальнейшемусмешению и разделению.

Левкипп (около 500 г. до н.э.) создалатомистическую теорию мира, которая впоследствии была развита и законченаДемокритом (род. ок. 470 г.до н. э.)

Вселенная Демокрита — Левкиппасостоит из пустого пространства и бесконечного множества неделимых мельчайшихчастиц — атомов, отличающихся не качественно (как у Анаксагора), а лишь посвоему очертанию, положению и распределению. Тела возникают и исчезают толькоза счет сочетания и разъединения атомов, так из ничего не может произойтиничего и ничто существующее не может исчезнуть. Движение атомов обусловлено невлиянием внешней силы, а силой, присущей самим атомам.

С такой общей схемой согласится любойфизик. Но в отличие от Демокрита он сумеет доказать, что мир построен именнотак, а не иначе.

Согласно Платону (429-347 до н.э.) вцентре Вселенной неподвижно покоится Земля, вокруг которой на расстояниях,соответствующих гармоническими отношениям тонов, проплывают планеты.

Мир видимый, мир чувственный естьсобственно мир призрачный, мир теней. Этому миру Платон противопоставляет миридей — идею человека, животного, растения, камня. Эти идеи — не только родовыепонятия, но и подлинно существующее бытие. Не будь идей, не было бы и конкретносуществующих вещей. Эти последние — отображения, копии отвечающих им идей, аидеи — первообраз, причина существования отображений.

Если Демокрит был убежден вдискретности материи, то Аристотель (384-322 до н.э.) проповедовал обратное — ее непрерывность. Этот великий спор прошел сквозь всю историю естествознания,не закончился он и по сей день.

Под природой Аристотель понималсовокупность физических тел, состоящих из вещества и находящихся в состояниинепрерывного движения или изменения. Всякое движение протекает во времени ипространстве. Пространство сплошь заполнено материей. Поэтому нет ни пустоты,ни мельчайших неделимых частиц — атомов, которые бесконечно падают в этойпустоте.

В основе всего сущего лежитпервоматерия. Ей присущи четыре основных свойства: влажность, сухость, тепло ихолод. Разнообразие веществ в природе вызвано различными сочетаниями этихсвойств. Изменение одного из свойств — причина любых превращений. Тайна превращениявеществ сводится к добавлению одних качеств к другим. Неблагородные металлыможно превратить в золото. Впоследствии алхимики часто ссылались на Аристотеля.Теперь, в век ядерной энергии, мы видим, что он, в сущности, был прав.

Естественные прямолинейные движениятел неравномерны, конечны и потому несовершенны. Совершенство присуще лишькруговому движению, которое протекает вечно. Непосредственной причиной такогодвижения является пятое начало — эфир, из которого состоит небо. Идея эфиранадолго сохранится в физике. Она будет совершенствоваться, видоизменяться, носуть ее останется прежней — неизменной и неощутимой, как сам эфир.

Аристотель гораздо больше философ,чем физик. Он пытался создать целостную картину природы. Он велик своейпопыткой вскрыть общее единство мира.

Одним из основных методов познания поАристотелю является индукция: от фактов, добытых опытом, к некоторым общимопределениям и понятиям, при помощи которых можно будет объяснять факты. Общиепринципы как исходный пункт для дедуктивного изучения вещей и явлений. Этиобщие принципы: материя, форма, движущая причина и причина конечная, или цель.В материи дана лишь возможность реального мира, в форме — осуществление этойвозможности путем движений и изменений, идущих к определенной цели.

Материя хаотична, бесформенна; это — бытие абстрактное и потенциальное, а форма — это начало структуры иорганизации, начало актуальное, переводящее материю в нечто конкретное; она какбы задание, цель, которую надлежит осуществить материи.

Однако об идеях Платона Аристотельсказал так: Говорить, что идеи суть образцы, а прочее в них участвует, значитьпустословить и высказывать поэтические метафоры.

Аристотелем заканчивается творческийпериод греческой натурфилософии. Законченная, внутренне замкнутая система нелегко поддавалась дальнейшему развитию. Да и авторитет Аристотеля был настольковелик, что мало кто решался на переоценку его учения.

Эпикур (341-270 до н.э.) — атомист,последователь Демокрита, учил, что познание природы освобождает от страха смерти,суеверий и религии вообще.

Аристарх Самосский (ок. 320 — ок. 250до н.э.), астроном, учил, что Земля вращается вокруг неподвижного Солнца. Навозражение, что при таком вращении неподвижные звезды должны были бы изменитьсвое видимое положение, он, с полным на то основанием, указывал на громадноерасстояние между Солнцем и звездами. В этом смысле он был предтечей не толькоКоперника, но и Эйнштейна. Но гелиоцентрическая система не имела ещедостаточных основ, она была явно преждевременной. Геоцентризм настолько всехудовлетворял, что лучшие астрономы того времени не поддержали Аристарха. Егоучение было основательно забыто.

Тит Лукреций Кар (I в. до н.э.) Поэма“О природе вещей” был в нашем понимании популяризатором науки. Тем не менее егороль в развитии атомистики трудно переоценить. Может быть здесь сказываетсясила искусства, его условность, столь отличная от научных абстракций ианалогий, но Лукреций во все эпохи звучит одинаково современно.

“… Платье сыреет всегда, а на солнцевися, оно сохнет, Видеть, однако, нельзя, как влага на нем оседает, Как и невидно того, как она исчезает от зноя. Значит, дробится вода на такие мельчайшиечасти, Что недоступны они совершенно для нашего глаза”. Небольшой отрывок изпоэмы показывает не столько то, что думали древние, а как они думали. Этообразец ясной логики, приводящей к однозначному выводу.

Идеи поэмы: Все тела природы состоятиз атомов и подвержены изменениям. Вселенная бесконечна — “Стрела, пущеннаялуком, может лететь века и быть все так же далеко от конца Вселенной, как впервое мгновение, когда она была пущена”.

Жизнь возможна на других мирах -

“А потому непременно ты должен сомной согласиться, Что существуют иные земные миры во вселенной, Как и иной родлюдей и иные породы животных...”

Природа никем не создана иуправляется присущими ей самой законами — Из ничего даже волей богов ничего нетворится. Люди приписывать склонны божественной воле те вещи, В коих не могутрассудком своим доискаться причины. Если усвоил ты это, должна пред тобоюприрода Вечно свободной предстать, не подвластной властителям гордым, Движимойволей своей, от богов независимой вовсе.

Птоломеем (70-147) заканчиваетсяантичный период истории естествознания.

В тринадцати книгах Птоломей собрал иобобщил все достижения древней астрономии. Но принципиально птоломеевскаясистема мира с неподвижной Землей в центре Вселенной мало чем обогатила науку.

Авторитет его был признан единодушнои держался долее всего. Греки, римляне, арабы и христиане одинаково чтили его.Не один еретик сгорел на костре за посягательство на птоломеевский “Общийобзор”. Несколько столетий католическая церковь отстаивала учение Птоломеявсеми принятыми на вооружение средствами.

Большую роль в развитииестествознания сыграли Фрэнсис Бэкон (1561-1626) и Рене Декарт (1596-1650).

Бэкон: природу нельзя познать безопыта — самого ценного источника знаний.

Декарт ключом к истинному знаниюсчитает разум, умело нацеленный на исследование опять-таки данных опыта. Опыт,опыт и еще раз опыт. Это звучало как заклинание мрачных теней средневековья.

Природа Декарта сплошь заполненаматериальными частичками. Духовное начало ее не зависит от материального.Основное свойство материи -протяженность. Пустого пространства не существует.Материальный мир находится в вечном движении, совершающемся в полномсоответствии с законами механики. Отсюда и все процессы в природе можно свестик простому перемещению частиц в пространстве. Декарт выдвигает идеюпервончального толчка, который привел в движение бесконечную непрерывнуюпротяженность.

Барух Спиноза (1632-77) отвергдуализм Декарта. Природа сама есть бог. Она ни в духовном начале, ни в творцене нуждается. Природа — это вечная субстанция в бесконечном пространстве. Она“причина самой себя” (causa sui). Это важнейшее свойство субстанции — самойбыть причиной существования и сущности всех вещей. Это свойство встречается водной из самых интересных гипотез двадцатого века — нелинейной теории поляГейзенберга.

Естествознание пошло именно по этомупути. Самые фундаментальные представления о строении материи и свойствахвремени и пространства базируются на принципе “natur causa sui”.

Первым исследователем, которыйвсерьез обратился к идеям греческих атомистов, был французскийфилософ-материалист Гассенди (1592-1655).

Он не только изложил древнюю атомистику,но и развил ее на основе накопленных за два тысячелетия фактов. ПодобноЭпикуру, он считал важнейшими свойствами атомов не только величину и форму, нои тяжесть, которую определял как “внутреннее стремление к движению”, служащееисточником всех изменений в природе.

Интересно, что именно Гассендивпервые выдвигает идею о различных прерывистых дискретных ступенях строенияматерии. Он ввел понятие молекулы — механического соединения группы атомов.

Разрабатывая учение греческихатомистов, Гассенди пришел к мысли, что при помощи атомной теории физическиеявления можно объяснить конкретным, даже банальным способом. Смесь воды и винасравнивается им со смесью двух сортов песка.

Англичанин Роберт Бойл (1627-1691)был физиком и химиком в самом современном понимании этих слов. Его девизом было“ничего со слов”. Он обрушился с критикой на алхимиков и их методы, показав,что их достижения случайны. На самом деле они ничего не знают и не могут знатьо природе вещей.

Бойль впервые обосновал понятие“химический элемент”. У Бойля это понятие строго связано только с химическимпроцессом. Исходя из химического взаимопревращения веществ, Бойль задалсявопросом: из каких кирпичей можно построить все бесконечное многообразиеоднородных веществ? Вопрос этот до сих пор не снят с повестки дня.

Он хотел найти те элементы, которыеуже не могут быть превращены один в другой и из которых каким-то образомпостроен весь окружающий мир.

Сама постановка задачи выросла изосновной проблемы алхимии. Алхимия исходила из того, что все вещества могутбыть сведены к одному, основному. Но все попытки алхимиков осуществить подобноепревращение терпели крах. С помощью химических методов оно, очевидно, недостигалось. Отсюда напрашивался вывод, что материя не единообразна нахимическом уровне, а напротив, существуют вещества, которых никакие химическиепроцессы не заставят взаимопревращаться. В отличие от Демокрита Бойль называлчастички, из которых построена материя, не атомами, а корпускулами (Энгельс:“Бойль делает из химии науку”).

Одним из самых важных моментов встановлении современной науки надо признать установления законов движенияпланет — законов Кеплера. Ближайший предшественник Кеплера, Николай Коперникблестяще завершил работу по созданию гелиоцентрической модели солнечной системы,начатую еще греками (Аристарх Самосский). В модели Коперника оказалисьустановленными все естественные кинематические масштабы — эталоны длин ивремени. Это и стало исходным пунктом новой науки. Коперник оставил два столбцачисел — периоды и расстояния и нужно было только спросить, а что связываетчисла в этих столбцах?

Такой вопрос задал себе Кеплер,который поставил перед собой цель раскрыть секреты движения планет и научитьсявычислять их движения. Он смог установить свой третий закон, в котором содержаласьпо существу динамика системы, т.е. связь между временем и изменениемкоординации.

Кеплер, впервые дляестествоиспытателя, поставил вопрос об общей закономерности в данныхэксперимента и, что самое важное, вопрос о том, в чем причина такихзакономерностей. До Кеплера большинство естествоиспытателей считало свою рользаконченной, если сформулированы правила, описывающие явления. Только Кеплеране удовлетворяли открытые им законы. Он мучительно спрашивал себя: почему? Вчем состоит общая причина движения планет? Размышления привели его кзаключению, что эту причину надо искать в том, что движением планет управляетСолнце. Этим Кеплер ниспровергал установившуюся картину близкодействия ивпервые выдвинул идею дальнодействия. Но полный ответ вопросы Кеплера получилилишь у Ньютона, который звершил создание новой картины мира, основанной науравнениях механики.

На памятнике Ньютона (1643-1727) вКембридже выбиты слова: “Разумом он превосходил род человеческий”.

Ньютон открыл закон всемирноготяготения и три основных закона механики, создал теорию движения небесных тел итеорию цветов.

Конечная цель физики по Ньютону:”Вывести из начал механики и остальные явления природы”.

Понятие массы — гениальный и неподлежащий пересмотру вклад Ньютона в построение основ современной физики. Всематериальные тела обладают собственной массой. Материальные частички наделенысилами притяжения и отталкивания, присущими всем видимым телам во Вселенной.

Учение Ньютона о массе и силеположило конец метафизике вообще. Поэтому “отцом физики” следовало бы считатьименно Ньютона, разработавшего научные основы мироздания вместо фантастическихдомыслов и спекулятивных гипотез о строении мира.

Три гиганта — Коперник, Кеплер иНьютон построили новую науку — механику. Механика стала первым лидером толькочто возникшего в качестве самостоятельной науки естествознания.

Успехи механики в XVII-XVIII вв. былисвязаны с тем, что она изучала реальную сторону реальных процессов природы.Средневековая схоластика, провозгласившая учение о скрытых качествах, о всякогорода таинственных и неуловимых субстанциях, мешала изучать действительные вещии их свойства, не давала возможности двигаться вперед в познании природы.Механика впервые поставила естественнонаучное познание на научную основу.

Однако механическая атомистика необъясняла химических взаимодействий, тепловых процессов и других явлений, скоторыми химики сталкивались буквально ежечасно.

Немецкий врач Эрнст Штальпостулировал существование “флогистона”, некоего неведомого вещества без цветаи запаха, который соединял бойлевские корпускулы и осуществлял все химическиепревращения.

Теория флогистона заворожиласовременников. Она была принята сразу и безоговорочно. В том, что флогистондействительно существует, никто не сомневался. Когда появились первыеубедительные факты, ставящие под сомнение теорию флогистона, ее самоотверженнопытались спасти. Теорию флогистона опроверг А.Лавуазье (1743-1794).

Ломоносов (1711-1765) также исключалфлогистон из числа химических агентов.

Самым крупным по своему значениюдостижением Ломоносова было экспериментальное доказательство “закона сохраненияматерии” (опыт по нагреванию в запаянном сосуде свинцовых пластинок).

Ломоносов связывал нагрев тела сувеличением поступательного и вращательного движения корпускул, что делалосовершенно излишним предположение о существовании флогистона.

Ломоносов вплотную подошел к понятиюабсолютного нуля, как о “высшей возможной степени холода, вызванной полнымпокоем частичек, прекращением всякого движения их”. Частички различны по массеи им присуще движение, отсюда причина всех качественных изменений в физике ихимии — движение.

Английский материалист XVII века Дж.Толанд предложил считать движение неотделимым от материи внутренним первичнымсвойством: “Материя по необходимости столь же активна, сколь и протяженна”.

Взгляды Толанда во многом определилиэволюцию представления о пространстве, времени и движении. Так, у французскихматериалистов XVIII века движение тоже выступает непреложным свойством самойматерии. Гольбах: “Движение — это способ существования”. Дидро выдвигает чисторелятивистскую идею об абсолютности движения и относительности покоя.

В 1815 г. Проут заявил, что атомыделимы. Он указал на то, что атомные веса элементов кратны атомному весуводорода. Отсюда вытекал неизбежный вывод, что все элементы построены изводорода, атомы которого являются “первыми и последними строительными камнями”Вселенной.

В 1865 г. Лошмидт определил в самомпервом приближении размеры атома. Атомы оказались несравненно меньше техсолнечных пылинок, с которыми их сравнивал Демокрит.

Новый этап атомистики начался сМайкла Фарадея (1791-1867), связавшего атомную теорию с электричеством.Электричество, как и вещество, тоже обладает атомной структурой. Каждый атомили каждая молекула связаны с одним или несколькими атомами электричества, хотяв то время трудно было сказать, как такая связь осуществляется.

Честь открытия свободных атомовэлектричества, не связанных с атомами вещества, выпала Гитторфу. По предложениюСтонея мы назваем теперь свободные атомы электричества электронами. Так былаоткрыта первая элементарная частица.

Описывая обмен энергией междунагретым телом и окружающим пространством, Макс Планк предположил, что такойпроцесс может быть не непрерывным, а дискретным. Он открыл кванты.

Говорят, что Планк долгое времяпребывал в растерянности от своего открытия. Идея дискретности подрывала основыклассической физики. Он не спешил с опубликованием своей работы. В разговоре сколлегами он как-то обмолвился, что либо полностью провалился, либо сделалоткрытие, равное по масштабам законам Ньютона.

В 1905 г. Эйнштейн выдвинул теорию,согласно которой свет не только излучается и поглощается, но и состоит изнеделимых квантов. Кванты света представляют собой частицы, которые движутся ввакууме со скоростью 300000 км в секунду. В двадцатые годы эти частицы получилиназвание фотонов. Корпускулярная природа света может быть продемонстрированарядом классических экспериментов, но особенно ярко существование фотоновпоказывает фотоэлектрический эффект.

Существование электромагнитных волн иволновая природа света не могут быть опровергнуты. Но нельзя отказаться и откорпускулярной природы света. Не с Планком, а именно с Эйнштейном вошла в наукупротиворечивая двойственность, изначально присущая природе. И естественно, чтосовременники видели в этой двойственности не лик мироздания, а всего лишьнеобъяснимое противоречие.

Через два десятилетия Луи де Бройль,распространив представления Эйнштейна на все элементарные частицы вообще,построил волновую механику.

Новое мировоззрение включало отказ отэфира, что означало капитуляцию благополучной Вселенной, похожей несколько насложный часовой механизм с его иерархией зубчатых колесиков.

Понятие эфира зародилось в то время,когда ученые попытались осмыслить природу света.

Автором первой эфирной теории светабыл голландский математик, астроном и физик Христиан Гюйгенс. Согласно еготеории всякое светящееся тело порождает волны, которые, распространяясь во всестороны, достигают глаз наблюдателя. Подобно колебаниям, вызванным звономколокола. Но если ударить в колокол, находящийся в пустоте, звона не будет.Тогда как свет, в отличие от звука, отлично распространяется в вакууме,несмотря на отсутствие среды, способной передавать колебания. Этообстоятельство заставило Гюйгенса наполнить пустоту неким гипотетическимэфиром, способным передавать волны света.

Эфир означает по-гречески “воздух”,“небо”, “верхние сферы”. Работники радио и телевидения до сих пор говорят отом, что они готовят передачи для “вещания в эфир”. Древнее слово оказалосьживучим.

Ньютон безоговорочно принял понятиеэфира, считая идею воздействия одного тела на другое на расстоянии в вакуумеабсурдной.

Какова бы ни была его природа, эфир,по убеждению ученых, наполнял собой все пространство, пронизывал все вещество,проникая между всеми атомами.

Свойства света и в самом деле былитаковы, что их нельзя было объяснить, не прибегая к среде, способной передаватьволновое излучение на миллионы километров, не ослабляя его энергию. Носуществует ли эта среда на самом деле? А если существует, то покоится ли оннеподвижно или находится в непрерывном движении?

Английский математик и физик Стоксутверждал, что Земля, вращаясь вокруг оси и вокруг Солнца, увлекает за собойэфир.

Французский ученый Френель полагалего неподвижным и многие поддерживали такие представления, потому что такойэфир представлял собой идеальную систему отсчета. Относительно его можно былорегистрировать абсолютное движение, не зависящее от положения наблюдателя.Абсолютна ли скорость света? Одинакова ли она для любого наблюдателя,независима или, напротив, зависима от движения источника света?

Это были вопросы, на которые ответдала специальная теория относительности; это была проблема космическогомасштаба, из которой вытекали выводы исключительной важности.

Опыт Майкельсона: полупрозрачноезеркало сначала расщепляло луч на два взаимно перпендикулярных, которые, в своюочередь, отразившись от расположенных на равных расстояниях зеркал, соединялисьвновь. Опыт показал, что “эфирный ветер” не оказывает никакого влияния на свет.Майкельсон пришел к выводу, что гипотеза неподвижного эфира ошибочна.Напрашивался вывод, что эфир, если он существует, не неподвижен относительноЗемли.

Эрнст Мах тотчас же потребовалотказаться от идеи эфира. Зато лорд Кельвин продолжал по прежнему верить вэфир. Кельвин и Рэлей обратились к Майкельсону с предложением проверить влияниедвижения среды на скорость света. Результат был опубликован в 1887 году. ДжонБернал назвал его “величайшим из всех отрицательных результатов в историинауки”.

Хотя опыт, как говорится, поставилкрест на неподвижном эфире, все же оставалась возможность, что “Земля увлекаетза собой эфир, придавая ему почти ту же скорость, с какой движется сама”.

Через десять лет Майкельсонэкспериментально проверил и эту гипотезу. Результат снова был отрицательным. Ночтобы окончательно похоронить эфир, нужна была теория относительностиЭйнштейна. Пока же эксперимент Майкельсона-Морли завел физику в тупик.

В период 1893-1895 годов двакрупнейших теоретика независимо друг от друга попытались спасти эфир.

Профессор дублинского Тринитиколледжа Джордж Фитцджеральд дал блестящее и ошеломляющее объяснениеотрицательному результату опыта Майкельсона-Морли. Он предположил, что размерытел меняются с увеличением скорости их движения, сжимаются в направлениидвижения. Многим эта теория показалась плодом больного воображения.

Немногие, но очень серьезныефизики-теоретики заинтересовались идеей сокращения. Лоренц увидел в нейподтверждение существования эфира. Он построил стройную математическую теорию,из которой, однако, вытекало, что одного сокращения для описания движущихся телявно недостаточно. Приходилось вводить еще и особое время, зависящее отскорости. Это было уж совсем непостижимо. Этот вывод самому автору казался хитройуловкой: он не собирался посягать на ньютоновское “абсолютное время”.

Гипотеза Фитцджеральда-Лоренца была,вне всякого сомнения, исключительно смелой. Она блестяще разрешала всепротиворечия, связанные с опытом Майкельсона-Морли. Но она целиком вытекала иззаконов классической физики. Она произвела переворот в умах, вызвала бурю вученом мире, но не смогла взорвать ньютоновской классики.

Лоренц пришел к релятивизму оттрадиционных основ, которые стали для него барьером. Это был философскийбарьер, который великий ученый так и не смог преодолеть. Впоследствии онговорил: ”Сегодня, излагая электромагнитную теорию, я утверждаю, что движущийсяпо криволинейной орбите электрон излучает энергию, а завтра я в той жеаудитории говорю, что электрон, вращаясь вокруг ядра, не теряет энергии. Где жеистина, если о ней можно делать взаимно исключающие друг друга утверждения?Способны ли мы вообще узнать истину и имеет ли смысл заниматься наукой?”

Противоречия казались емунеразрешимыми. Он глубоко переживал это. Последние годы его были отравленыскепсисом и отчаянием. В беседе с А.Ф.Иоффе он как-то сказал: ”Я потерялуверенность, что моя научная работа вела к объективной истине, и я не знаю,зачем жил; жалею только, что не умер пять лет назад, когда мне еще все представлялосьясным”.

А ураган неясности нарастал. Томсонобнаружил электрон и доказал электрическую природу вещества. Кюри открылирадий, который продемонстрировал необычные свойства. Физики обнаружили, чтоиспускаемые им электроны движутся со скоростью, достигающей многих тысячкилометров в секунду. Еще совсем недавно это казалось невероятным. Немецкийфизик Кауфман экспериментально доказал, что масса такого быстрого электронаменяется со скоростью. Чем быстрее двигался электрон, тем больше была егомасса. Масса перестала быть постоянной величиной.

В опытах физиков рвался мир,созданный Ньютоном. Окончательно разрушил и в то же время спас этот мирЭйнштейн.

Развитиефизико-химической биологии

Французский физиолог Франсуа Мажанди(1783-1855) впервые показал огромное значение белка в жизни организмов (кормилсобак пищей, в которой отсутствовал белок: сахар, оливковое масло и вода).

Немецкий химик Юстус Либих(1803-1873) детально разработал учение о полноценности пищи и полагал, чтоуглеводы и жиры служат топливом для организма. Возник вопрос: равно ликоличественно тепло, полученной организмом от такого “топлива”, теплу,получаемому при сжигании углеводов и жиров вне организма.

Макс Рубнер (1854-1932)экспериментально доказал приложимость закона сохранения энергии к организмуживотного. К 1894 году он установил, что энергия, выделяемая пищевымипродуктами в организме, точно равна энергии, которую можно получить присжигании этих продуктов вне организма.

Эти исследования нанесли серьезныйудар по витализму. Еще в XVIII веке химики обнаружили, что реакцию иногда можноускорить введением веществ, которые, по всей видимости, не принимают в нейучастия. Это явление в 1835 году Берцелиус назвал катализом.

Казалось вероятным, что химическиепроцессы в живых тканях могут протекать при очень мягких условиях, потому что втканях присутствуют различные катализаторы, которых не существует в неживойприроде.

В 1833 году французский химик АнсельмПэйян (1795-1871) экстрагировал из проросшего ячменя вещество, котороерасщепляло крахмал до сахара. Он назвал это вещество диастазой. Диастаза идругие подобные вещества были названы ферментами. Во второй половине XIX векастало ясно, что ферменты являются катализаторами.

В 1897 году немецкий химик ЭдуардБухнер (1860-1917) доказал, что ферменты могут с успехом действовать и внеклеток. Это было серьезным ударом по витализму, однако это не было егоокончательным разгромом. Предстояло еще многое узнать о молекулах белка.

На протяжении прошлого столетияферменты считались таинственными веществами, которые выявлялись лишь по ихдействию. В 1926 году американский биохимик Джеймс Самнер (1887-1955) выделилфермент, катализирующий реакцию расщепления мочевины на аммиак и углекислый газ(уреазу) и доказал его белковую природу. В 1930-1935 годах подобные работы былипроделаны в отношении пепсина (желудок), трипсина и химотрипсина (поджелудочнаяжелеза).

Особенно значительный вклад визучение белков внесли шведский химик Теодор Сведберг, американский химикЛайнус Полинг, английские биохимики Макс Фердинанд Перутц, Джон Каудери Кэндрю,Фредерик Сэнгер.

К середине XX века секреты молекулыбелка были раскрыты. Но вдруг оказалось, что химическая основа жизни вовсе небелок, а другое вещество. В 1944 году американский бактериолог Освальд ТеодорЭвери с сотрудниками доказал, что генетической функцией обладают не белки, ануклеиновые кислоты. С этого момента началось энергичное изучение нуклеиновыхкислот. В 1953 году структура молекул нуклеиновых кислот была расшифрована(работа английского биохимика Фрэнсиса Крика и американского биохимика ДжеймсаУотсона).

Открытие Крика и Уотсона положилоначало бурному развитию молекулярной биологии, или, как ее теперь чащеназывают, физико-химической биологии. К главным достижениям этой наукиотносятся расшифровка генетического кода и открытие механизмов биосинтезабелка, искусственный синтез гена и пересадка генов. В результате родиласьгенетическая инженерия, успехи которой вызывают как надежды на управлениенаследственностью, так и опасения, связанные с возможностью создания особоопасного биологического оружия.

Панорама современногоестествознания и его незавершенность.

Перед человечеством встали оченьсерьезные проблемы, порожденные самим прогрессом, решение которых невозможнотолько в рамках естественно-научной культуры. Решение этих проблем предполагаетне только объединение усилий естественников и гуманитариев, но и переход всостояние новой единой культуры.

Тем не менее, естествознаниепродолжает решать свои сложные проблемы, от которых зависит судьба цивилизации.

Физика, пытаясь познать строениевещества, открывает все новые тайны микромира, ищет новые источники и новыеспособы получения энергии, изучает природу гравитации и пытается построитьединую теорию поля. Она изучает свойства и поведение вещества при сверхнизких исвехвысоких температурах и давлениях.

Химия дарит человеку все новыеискусственные материалы, полимеры, препараты.

Биология раскрывает молекулярныемеханизмы метаболизма, иммунитета, памяти, наследственности, механизмы высшейнервной деятельности, поведения.

Науки о Земле заняты проблемамиосвоения Мирового океана, изучением тектоники плит и предсказаниемземлетрясений, глобальными климатическими процессами и проблемой прогнозовпогоды, решением проблемы падения плодородия почв и судьбами биосферы.

“Космические” проблемы: влияниекосмических факторов на человека и жизнь вообще, на климат, защита от комет иастероидов, крупных метеоритов, проблема “пришельцев” и внеземной жизни,внеземных цивилизаций, строение и эволюция Вселенной.

Литература

1. Введение вфилософию. В двух частях. М., Изд. полит. лит., 1989

2. Ичас М. О природеживого: механизмы и смысл. М., Мир, 1994

3. Лазарев В.В.Шеллинг. М., Мысль, 1976

4. Нарский И.С.Кант. М., Мысль, 1976

5. Овсянников М.Ф.Гегель. М., Мысль, 1971

6. Свасьян К.А.Иоганн Вольфганг Гте. М., Мысль, 1989

7. Фролов И.Т. Очеловеке и гуманизме. Работы разных лет. М., Изд. полит.лит., 1989, 560 с.

Раздел 1. ФИЗИКА ГЛАЗАМИ ГУМАНИТАРИЯ: ОБРАЗЫ ФИЗИКИ

Пространство, время иматерия в контексте культуры

Явления и процессы, происходящие свзаимодействующими объектами, протекают в пространстве и времени. Пространствои время обладают определенными свойствами, влияющими на ход физических явлений.

Природа Декарта сплошь заполненаматериальными частичками. Духовное начало ее не зависит от материального.Основное свойство материи -протяженность. Пустого пространства не существует.Материальный мир находится в вечном движении, совершающемся в полном соответствиис законами механики. Отсюда и все процессы в природе можно свести к простомуперемещению частиц в пространстве. Декарт выдвигает идею первоначальноготолчка, который привел в движение бесконечную непрерывную протяженность.

Согласно Ньютону, и пространство, ивремя абсолютны. Это означает, что пространство, в котором мы живем, может бытьуподоблено существующему вечно, неограниченно большому, неподвижному “ящику”без стенок -вместилищу материи. Свойства этого “ящика” не меняются с течениемвремени и не зависят от того, как в нем распределено и перемещается вещество.Время во всех точках пространства текло и течет одинаково, т.е., в какие быобласти пространства мы ни помещали часы, время они будут отсчитывать с одной итой же скоростью. Распределение вещества в таком неизменном пространстве и егодвижение определяются действием закона всемирного тяготения. Согласно этомузакону, тела притягиваются друг к другу с силой, прямо пропорциональнойпроизведению их масс и обратно пропорциональной квадрату расстояния между ними.Поскольку время во всех областях пространства течет одинаково, а самопространство неизменно, то с помощью закона всемирного тяготения всегда можнорассчитать положение и движения небесных тел и друг относительно друга, иотносительно “ящика” — абсолютного пространства.

В математике свойства какого-либопространства, или, как говорят, его метрика, определяются видом той линии,которая кратчайшим образом соединяет две произвольные точки в нем. Как известноиз повседневного опыта, в пространстве, в котором мы живем, кратчайшеерасстояние между двумя точками есть прямая линия. Такое пространство называетсяевклидовым — по имени древнегреческого математика Евклида, который первымрассмотрел его свойства.

Ньютоновские представления опространстве и времени верны лишь в относительно небольших по астрономическиммасштабам областях пространства и для относительно коротких по тем же меркампромежутков времени. Они перестают соответствовать действительности толькотогда, когда речь идет об описании Вселенной в целом, а также в сильных поляхтяготения.

В 1916 г. А.Эйнштейн создал общуютеорию относительности, которую часто называют современной теориейгравитационного поля, а также теорией структуры “пространства-времени”. Какоказалось, эти два понятия органически связаны.

Из общей теории относительностиследует, что реальное пространство нашей Вселенной неевклидово. Более того,геометрия нашего пространства меняется с течением времени, а само время течет сразной скоростью в разных областях Вселенной.

Согласно этой теории, геометрическиесвойства пространства, изменение его геометрии со временем, а также скоростьтечения самого времени зависят от распределения и движения вещества — материи.В свою очередь, движение материи и распределение ее в пространстве зависят отего геометрии. Оба процесса взаимосвязаны: распределение и движение материиизменяют геометрию пространства-времени, а изменение геометриипространства-времени определяет характер распределения и движения в немматерии. Эти процессы самосогласованы. А это означает, что и пространство, ивремя не абсолютны, а относительны — они проявляют себя по разному взависимости от конкретных условий.

Согласно общей теорииотносительности, степень искривления пространства, т.е. степень отклонения егоот евклидовой геометрии, сильнее там, где материя обладает большей энергией. Вэтих же условиях время течет медленнее.

Наше пространство является “плоским”в том смысле, что оно удовлетворяет всем аксиомам геометрии Евклида. Движениесвободного тела в таком пространстве является равномерным и прямолинейным — движением по инерции. Движение тел по инерции есть проявление однородностипространства и времени.

Однородность пространства означает,что любая его точка физически равноценна, т.е. перенос любого объекта в пространственикак не влияет на процессы, происходящие с этим объектом. (Один и тот жефизический эксперимент, поставленный в Москве или в Нью-Йорке, дает одинаковыерезультаты).

Однородность времени нужно пониматькак физическую неразличимость всех моментов времени для свободных объектов.Другими словами, если объекты не взаимодействуют с окружением, то для них любоймомент времени может быть принят за начальный. (В свое время Архимед открылзаконы плавания тел. В настоящее время каждый из нас может легко ихвоспроизвести).

Вблизи таких объектов, как, например,черные дыры, пространство может обладать очень сложными геометрическимиформами. Огромные массы вещества, содержащиеся в галактиках и их скоплениях,искривляют пространство. Однако кривизна реального пространства Вселенной малоотличается от нуля. Вот почему кратчайшее расстояние между двумя точками вземных условиях и до ближайших звезд нашей Галактики есть все же прямая линия.

Эйнштейн показал органическуювзаимосвязь пространства и времени, относительность пространственных ивременных соотношений в материальном мире. Пространство и время определяютсяраспределением и движением масс материи. В связи с этим на смену представлениямо бесконечной неизменной Вселенной приходят другие представления.

Чтобы легче понять, какова модельВселенной по Эйнштейну, обратимся к двумерному пространству. Представим себеплоское существо, “жука”, живущее на растяжимой поверхности. Бросим на этуповерхность стальной шар, поверхность прогнется, но жук этого не заметит, таккак вне этой поверхности для него ничего не существует. Если бросим второйшарик, то он скатится в углубление в первому, а жуку покажется, что второйшарик притянулся к первому.

Эта аналогия позволяет понять теориюЭйнштейна, согласно которой вблизи всякого инертного тела пространствоискривляется. В искривленном пространстве наименьшим расстоянием между двумяточками является геодезическая кривая. В таком пространстве свободное движениетела происходит по геодезической кривой.

Если представить, что криволинейноедвижение тел под действием силы тяготения — это свободное движение вискривленном пространстве, то можно считать, что всякое тело вблизи себяискривляет пространство и это искривление передается подобно волне, от точки кточке. Тогда не надо будет говорить о силах тяготения.

Но движение под действием этих сил нетолько криволинейное, ускорение может меняться и по модулю. Чтобы объяснитьтяготение изменением свойств пространства, надо превратить время в одно изизмерений пространства. В теории относительности фигурирует четырехмерноепространство (четвертой координатой является время), искривление которогопозволило Эйнштейну полностью объяснить все явления, связанные с тяготением.Это искривление производят тела. В зависимости от плотности вещества геометриятакого пространства может быть приближенно евклидовой, или геометриейЛобачевского, или геометрией Римана.

Представления об искривленномпространстве дали возможность построить модели Вселенной, отличные от моделиНьютона. По одной из моделей мир безграничен, но не бесконечен (пример споверхностью шара).

В 1922 году А.А.Фридман показал, чтотеория тяготения Эйнштейна позволяет построить еще две равноправные моделиВселенной: закрытую, подобно поверхности шара, и открытую (расширяющийсяцилиндр).

Во времена Аристотеля считалось, чтовесь материальный мир построен из четырех основных субстанций — земли, воздуха,огня и воды. Это были своего рода “элементарные частицы” природы. В начале 30-хгодов нашего столетия современная наука смогла найти более приемлемое описаниестроения вещества на основе четырех типов элементарных частиц — протонов,нейтронов, электронов и фотонов. Это была простая и привлекательная схема: спомощью всего лишь четырех типов элементарных частиц, следуя законам квантовоймеханики, удалось объяснить природу химических элементов, их соединений ииспускаемых ими излучений. Добавление пятой частицы — нейтрино — позволилообъяснить также процессы радиоактивного распада. Казалось, что названныеэлементарные частицы являются основными кирпичиками мироздания.

Но эта кажущаяся простота вскореисчезла. Были открыты позитрон и более сотни различных мезонов. Изобилие типовэлементарных частиц поставило перед физиками трудный вопрос о том, что лежит воснове строения вещества. И пока еще не удалось найти ключа к решению загадкиэлементарных частиц.

Литература

1. Авакян С.В., Коваленок В.В.Неопознанные явления — “проделки” плазмы?/Природа, 1992, 6

2. В поисках истины (Мигдал)/Природа, 1992, 4

3. Торн К.С. Черные дыры иискривление времени: дерзкое наследие

4. Эйнштей на/ Природа, 1994, 1, 2,5, 7, 8, 10, 11

5. Шрейдер Ю.А. Препятствие — логика/Природа. 1992. 1

Тема1.1. Физика необходимогоМир дискретных объектов — физика частиц

Учение о дискретном, корпускулярномстроении материи возникло в античной философии (атомистика Левкиппа — Демокрита). Согласно Демокриту материя состоит из атомов, которые есть пределее физической делимости, а пространство — из амер, которые есть пределматематической делимости пространства.

С появлением физики и химииатомистическая гипотеза стала естественнонаучным учением. Атом сталрассматриваться как наименьшая часть химического элемента, являющаяся носителемего химических свойств. Наряду с понятием атома было введено представление омолекуле, которая представляет собой наименьшее количество вещества, вступающеев реакцию.

Применение атомистики позволилорешить ряд фундаментальных проблем физики и химии: механизм химических реакций,природа тепловых процессов, статистический характер закона возрастания энтропиии др. М.Планк показал, что процессы поглощения и излучения энергии носятдискретный характер. Эйнштейн теоретически обосновал идею дискретностиэлектромагнитного поля. Согласно квантовой теории любое физическое поле имеетдискретную природу.

Дискретность проявляется и вмакромире, где существуют обособленные друг от друга клетки, многоклеточныеорганизмы, виды, экосистемы.

Состояние физическойсистемы и его изменение со временем

Состояние системы — физическаяхарактеристика системы, определяемая значениями характерных для системыфизических величин.

Состояние материальной точки вмеханике определяется заданием координат и скорости. Закон движения m*Dv/Dt=Fсвязывает ее состояния в различные моменты времени. Если известны начальныекоординаты и скорость точки, а также силы как функции координат, то тем самымполностью определяется все последующее движение материальной точки. Задав любоймомент времени из приведенной формулы можно определить координаты и скоростьточки в этот момент.

Для количественного изучения движениялюбых объектов необходимо иметь систему отсчета. Под системой отсчета понимаютсистему координат и часы, связанные с телом отсчета.

В качестве системы координатпользуются прямоугольной декартовой системой. В качестве часов используетсялюбой периодический процесс, который осуществляется в природе.

Если в качестве тела отсчета берутсвободно движущееся тело, то система отсчета называется инерциальной.Инерциальных систем отсчета можно выбрать сколько угодно, и все они будутотносительно друг друга двигаться по инерции. Нет критерия, по которому мымогли бы предпочесть одну инерциальную систему отсчета другой, такжеинерциальной. Все инерциальные системы отсчета являются физическиэквивалентными.

Какое бы физическое явление нирассматривалось, с точки зрения любых инерциальных систем отсчета оно выглядитсовершенно одинаковым. Это означает, что математическая формулировка законаприроды должна быть таковой, чтобы она не менялась при переходе от однойинерциальной системы отсчета к другой. Это положение в физике называютпринципом относительности.

Если известно положение материальнойточки в одной инерциальной системе отсчета, то можно определить ее положение вдругой инерциальной системе, используя преобразования Галилея:

x = x’ + Vt,

t = t’

Второе равенство выражаетабсолютность времени, т.е. его независимость от выбора инерциальной системыотсчета.

Равенства

Dx= Dx’

Dt= Dt’

выражаютнезависимость длин и промежутков времени от выбора инерциальных систем отсчета.Другими словами, размеры тел и ход времени не зависятот того, что эти тела находятся в состоянии движения.

Изравенства

v = v’ + V

следует,что скорость есть понятие относительное; ее значение зависит от выбора системыотсчета. В частности, если в некоторой системе отсчета тело покоится, то относительно всех других оно движется с тойили иной постоянной скоростью. Если положить v’=0, то v = V.

Равенство

Dv/Dt=Dv’/Dt’

означает,что ускорения тел во всех инерциальных системах одинаковы.

В1905 году Эйнштейном опубликована специальная теорияотносительности. Два основных постулата отличают специальную теориюотносительности от классической физики:

1)обобщенный принцип относительности, утверждающий, что во всех инерциальныхсистемах отсчета законы механики одинаковы;

2)предельная скорость распространения взаимодействийсовпадает со скоростью света в вакууме (Ньютоновская механика утверждает, что впринципе возможно распространение взаимодействий, передача сигналов, информациис бесконечной скоростью).

ПреобразованияЛоренца учитывают существование предельной скорости,но содержат преобразования Галилея как предельный случай, когда скоростиv<c.

Сточки зрения движущихся систем отсчета размеры тел или расстояния между двумяточками в пространстве уменьшаются.

Темпвремени у движущихся часов замедляется.Преобразования Лоренца имеют в современной физике фундаментальное значение.Механику, учитывающую наличие предельной скорости c, называют релятивистской.

Дваследствия из СТО: 1 — одновременность двух событий относительна. Если два события, произошедшие в разных точках, одновременны в однойинерциальной системе отсчета, то они не одновременны во всех других системах.

2- тело с массой покоя m обладает энергией />. Она может выделяться, если уменьшить массу тела. Она и выделяется:чуть-чуть при химических реакциях и в миллионы раз интенсивнее при ядерныхреакциях.

Вклассической физике принцип относительности утверждался только для законовмеханики. В специальной теории относительности онпровозглашен как общий закон природы. Согласно ему законы природы инвариантныво всех инерциальных системах отсчета.

Законыдинамики и детерминизм Лапласа. В 1687 году Исаак Ньютон издал свою важнейшуюработу “Начала”. Ньютон не изобрел динамику;напротив, он максимально использовал работы предшественников, особеннодетальные эксперименты и рассуждения Галилея. Величайшей заслугой Ньютона былополное описание динамики движущихся тел.

Первыйзакон Ньютона или закон инерции: если действующая натело результирующая сила равна нулю, то ускорение тела равно нулю и телодвижется с постоянной скоростью.

Fрез=0  a = 0, или v = const.

Такимобразом, если к телу, находящемуся в состоянии покоя, не приложено никаких сил,оно продолжает оставаться в состоянии покоя; еслитело движется, оно сохраняет постоянную скорость.

Второйзакон Ньютона: Ускоренное движение тела может быть вызвано только силой,приложенной к этому телу. Ускорение пропорционально действующей на тело силе,причем коэффициент пропорциональности характеризуетинерцию, или массу тела, т.е. F=ma.

Третий закон Ньютона: если тело 1действует на тело 2 с какой-либо силой, то тело 2 действует на тело 1 с равнойпротивоположно направленной силой. Таким образом, любая сила всегда встречаетсяв паре с равной по величине противодействующей силой, т.е. F12 = -F21. Этосоотношение позволяет нам, по крайней мере в принципе, дать точное определениемассы.

Третий закон выполняется приближенно,но с очень высокой степенью точности, если взаимодействующие тела расположенытак близко друг к другу, что воздействие передается за время, практическиравное нулю.

Открытие законов механики послужилоосновой для формирования механистической картины мира, согласно которой миромправят строгие однозначные законы, не допускающие никаких случайностей. Течениевсех процессов определялось начальными условиями, мир представлялся состоящимиз вечных, неделимых частиц, движение которых всегда можно описать с помощьюзаконов механики.

Лаплас: “Мы можем рассматриватьнастоящее состояние Вселенной как следствие ее прежних состояний и как причинудля будущих. Разумное существо, которое могло бы знать в какой-то моментвремени все действующие в природе силы, а также соответствующие положения всехсоставных частей природы, смогло бы, при наличии достаточных аналитическихспособностей для оценки этих данных, охватить движение небесных тел имельчайших атомов с помощью одной формулы. Ничто не укрылось бы от существа;прошедшее и будущее, в равной степени открытые, легли бы перед ним”.

С открытием статистическихзакономерностей, которые вошли в науку с работами Дарвина, Максвелла,Больцмана, начали формироваться новые представления о мире, которые болееадекватно отражали существующие в нем взаимосвязи.

Импульс, энергия и моментсистемы как меры движения

Для материальной точки произведениемассы тела (или частицы) на его скорость называют его импульсом p=mv.

Энергия представляет собойспособность совершать работу. Существует три основных вида энергии:

1) кинетическая энергия,характеризующая состояние движения тела,

2) потенциальная энергия,обусловленная силами, действующими на тело со стороны других тел,

Eпот=mgh,

3) собственная энергия, связанная смассой покоя тела формулой Эйнштейна

Момент импульса (момент количествадвижения) есть произведение расстояния от тела до оси вращения наперпендикулярную компоненту импульса

L=rp=rmv.

Момент импульса является векторнойвеличиной. Направление вектора момента импульса совпадает с направлениемперемещения винта с правой нарезкой, если винт вращается в ту же сторону, что иобъект.

В изолированной системе различныеформы энергии могут превращаться друг в друга без потерь. Иными словами, влюбом физическом процессе энергия сохраняется.

Например, потенциальная энергия можетпревращаться в кинетическую и обратно без всяких потерь. Иными словами, теломассойm, падая с высоты h, приобретает кинетическую энергию />, равнуюпотенциальной mgh.

Чтобы применять законы сохранения длясовокупностей частиц (систем) или для макроскопических тел, следует отыскать туточку системы или тела, которая всегда движется в соответствии с законамисохранения. Такая точка называется центром масс системы.

1. В отсутствие внешних сил центрмасс системы движется с постоянной скоростью.

2. Если к системе как к единомуцелому приложена сила F, то центр масс приобретает ускорение a = F/M,где M — общая масса системы.

3. В отсутствие моментов внешних силполный момент импульса системы относительно ее центра масс остается постоянным.

Мир непрерывных объектов- физика полей (континуум)

Представление о континууме такжеродилось в античную эпоху и выразилось, в частности, в лестнице веществ исуществ Аристотеля.

Понятие континуума как одно изуточнений категории непрерывности имеет важные методологические функции.Например, Готфрид Вильгельм Лейбниц (1646-1716) считал, что непрерывностьобладает онтологическим статусом (“Природа не делает скачков”) и выступаетнеобходимым условием истинности законов природы. Учение, согласно которому всетела сложены из простых элементов, совершенно правильно. Но атомы не могут бытьтакими элементами: их неделимость — фикция, ибо материя делима добесконечности. Неделимыми могут быть только атомы нематериальные, силовые. ИхЛейбниц назвал монадами.

Идею непрерывности развил далее Боннэ(1720-1793) в форме “лестницы существ”: природа не терпит скачков; все в нейсовершается постепенно и равномерно путем оттенков. Вот почему между классамиили родами организмов существуют промежуточные группы. Существует постепенныйпереход от человека к животному, от животного к растению и от растения кминералу.

В физике под континуумом понимаетсяидеализированная модель единого физического пространства-времени. Онаполучается путем отождествления точек геометрического континуума с точкамифизического пространства-времени и определения на геометрическом континуумеметрических отношений и функциональных связей посредством мысленноговоспроизведения движений твердых тел (в классической механике) или световыхсигналов (в теории относительности).

В соответствии с представлениямиобщей теории относительности метрическая структура пространственно-временногоконтинуума детерминируется распределением плотности вещества и излучения воВселенной. Континуальная модель физического пространства-времени — результатстановления и развития классической математики и классической (неквантовой)физики.

Сплошная среда и упругиеволны

Волной называют распространение впространстве изменения состояния. Изменение состояния в физике означаетизменение значения какой-либо физической величины. Например, прираспространении звуковых волн в каждой точке пространства изменяется с течениемвремени деформация (сжатие-разрежение), в случае электромагнитной волны — значения напряженности электрического и магнитного полей

Волновое движение возникает в томслучае, если движение данной частицы влияет на движение соседних с ней частиц ииспытывает их влияние.

Примеры волнового движения: морскиеволны, звуковые волны, электромагнитные (световые и радиоволны).

Если частицы перемещаютсяперпендикулярно направлению распространения волны, волны называютсяпоперечными. Если частицы перемещаются взад-вперед вдоль направленияраспространения волны, волны называются продольными. Помимо бегущих волн бываютволны стоячие. Синусоидальная волна, форма которой между двумя закрепленнымиточками остается неизменной, а амплитуда меняется в зависимости от времени,называется стоячей волной.

Волны, распространяющиесяпрямолинейно вдоль струны или пружины, называются одномерными. От источниказвука в воздухе распространяются сферические (трехмерные) звуковые волны.Колеблющаяся доска возбуждает на поверхности воды двумерные плоские волны.

Взаимодействие: концепцииблизкодействия и дальнодействия

Большинство сил, с которыми мы имеемдело в повседневной жизни, представляют собой силы контактного типа,возникающие при соприкосновении. В древности для людей реальными были толькоконтактные силы. Казалось совершенно невероятным, что Солнце действует реальнойсилой на Землю, поскольку между этими телами нет контакта.

Создание Ньютоном теории всемирноготяготения привело к возникновению совершенно новых представлений. Согласно этойтеории, Земля, Луна, Солнце и вообще все планеты действуют друг на другаопределенными силами, несмотря на то, что они не соприкасаются и между ними нетникакой материальной среды, которая могла бы передавать действие сил.

Для описания гравитационноговзаимодействия пришлось ввести понятие о “действии на расстоянии”. Ньютон непытался объяснить, почему действие гравитационной силы передается черезпустоту. Для решения проблемы сил, действующих на расстоянии, “изобрели” эфир.Представление об эфире просуществовало вплоть до начала нашего века и былоокончательно развенчано теорией относительности Эйнштейна. Место теории эфиразаняла теория поля.

Любую физическую величину, котораяимеет вполне определенное значение в каждой точке пространства, можнорассматривать как величину, характеризующую поле.

С математической точки зрения поле — это произвольная функция или набор функций, координат r = x,y,z и времени t.

Большинство представляющих интересдля физики полей являются векторными; к ним относятся гравитационное,электрическое, магнитное и другие поля.

Соответствующая величина,характеризующая поле, изменяется в пространстве непрерывно в математическомсмысле. Именно таким образом меняются некоторые физические величины, к примерувектор гравитационной силы.

Электромагнитное поле иэлектромагнитные волны

С открытием М.Фарадея в науку вошлопредставление об электромагнитном поле как о материальной среде, как онепрерывной материи, заполняющей пространство. Поле является материальнойсубстанцией. Электромагнитная картина мира утвердилась благодаря работамМаксвелла.

Майкельсон доказал, что свет — электромагнитное поле — сам является видом материи, для его распространения нетнеобходимости в какой-либо среде — эфире.

Эйнштейн, будучи ещешестнадцатилетним юношей, подолгу размышлял о свойствах электромагнитного поля,и в частности о том, каким представлялось бы электромагнитное поле длянаблюдателя, который “летит” вдогонку за ним со скоростью света. Впоследствиион рассказывал, что никак не мог себе представить, каким было быэлектромагнитное поле для такого наблюдателя, и, наверное, из этойневозможности родилась позже уверенность, что “луч света нельзя догнать”: скакой бы скоростью мы ни гнались за ним, он уходит от нас со скоростью 300 000км/сек — скорость света во всех инерциальных системах отсчета одинакова. Этоодин из постулатов специальной теории относительности.

При ускоренном движении электрическихзарядов возникает изменяющееся во времени электромагнитное поле и источникиспускает электромагнитные волны. Электромагнитное излучение обладает энергиейи импульсом. Например, электромагнитное излучение переносит на Землю энергиюСолнца и снабжает ее светом и теплом, необходимыми для поддержания жизни.Импульс, связанный с падающей на Землю солнечной энергией, очень мал, поэтомумы его не замечаем (не испытываем давления, обусловленного импульсом световыхволн). Однако действие импульса солнечного излучения (радиационное давление,или давление света) можно видеть, наблюдая хвосты комет. Под действиемрадиационного давления хвосты комет направлены от Солнца.

Многообразие диапазоновэлектромагнитного излучения.

{bml ris1.bmp}

Электронные методы позволяютгенерировать электромагнитные волны с частотами до /> Гц. Эта областьчастот простирается от радиоволн до микроволн.

В диапазоне радиоволн работаютобычное радиовещание, телевидение, воздушная и морская связь, любительскиерадиостанции; радиолокация и радиорелейные линии используют микроволновый(сверхвысокочастотный) диапазон.

Для генерации излучения с частотамивыше микроволнового диапазона используется излучение атомов. Верхний пределчастот, которые могут генерировать атомные системы, составляет около /> Гц;излучение более высоких частот (гамма-лучи) испускается атомными ядрами.

Различные диапазоны электромагнитныхволн получили разные названия, но все эти виды излучения имеют единую природу иотличаются друг от друга только своими частотами

Интерференция, дифракцияи поляризация света

В любых волновых процессах, гдескладываются две или несколько волн, происходит интерференция. Импульсыпротивоположных знаков при встрече гасят друг друга — это деструктивнаяинтерференция. Если знаки импульсов одинаковы, то при встрече они складываются- это конструктивная интерференция.

Дифракция вызывает огибание волнойпрепятствия и заставляет волну расходиться после прохождения через узкоеотверстие.

В 1808 году французский физик Э.Малюсна основании опытов с кусками исландского шпата и опираясь на корпускулярнуютеорию света Ньютона, предположил, что корпускулы в солнечном светеориентированы беспорядочно, но после отражения от какой-либо поверхности илипрохождения сквозь анизотропный кристалл они приобретают определеннуюориентацию. Такой “упорядоченный” свет он назвал поляризованным.

При распространении электромагнитнойволны в ней совершают колебания вектор напряженности электрического поля E ивектор индукции магнитного поля B. Эти векторы взаимно перпендикулярны и лежатв плоскости, перпендикулярной распространению волны. Если колебания вектора Eпроисходят в одной плоскости, то говорят, что свет плоскополяризован.

Квант света, излученный атомом,поляризован всегда. Однако излучение макроскопического источника света (Солнце,электролампа) является суммой излучений огромного числа атомов, которыеизлучают свет с различной поляризацией. Такой свет называется неполяризованным.Для выделения из неполяризованного света части, обладающей желаемойполяризацией, используют поляризаторы (кристалл исландского шпата илитурмалина, искусственные поляризаторы).

Литература

1. Анисимов В.Н. Видеотерминалы — угроза здоровью/ Природа, 1995, 2

Тема1.2. Физика возможногоМир микрообъектов — квантовая физика

Теория относительности Эйнштейнапотребовала коренного пересмотра физических представлений о такихфундаментальных понятиях, как пространство и время. Но еще ранее возникливопросы, касающиеся физической природы излучения и вещества, их сходства иразличия, вопросы, относящиеся к внутреннему строению атомов и к происхождениюрадиоактивности. Попытки ответить на эти вопросы, предпринятые в первые годынашего века, завершились созданием современной квантовой теории.

В 1897 году английский физик ДжозефТомсон (1856-1940) установил атомистический характер отрицательногоэлектричества. Из своих опытов с катодными лучами он сделал вывод, что онипредставляют собой поток частиц, которые получили название электронов.

В 1900 году Планк, пытаясь объяснитьформу спектра излучения абсолютно черного тела, сделал необычное предположениео том, что обмен энергией между излучением и веществом происходит дискретнымипорциями, квантами. Большинство физиков восприняло это как “ловкий фокус”, неимеющий серьезных научных оснований. В 1900 году еще придерживались мнения, чтовсе физические процессы протекают непрерывно, и даже сам Планк не шел стольдалеко, чтобы предположить квантовую природу всего электромагнитного излучения.

Идея Планка пребывала в забвении втечение нескольких лет. Затем ею воспользовался Эйнштейн для объясненияфотоэффекта и постулировал, что все электромагнитное излучение имеет квантовыйхарактер (состоит из квантов излучения — фотонов). Идея Планка получилапризнание и в 1918 году ему была присуждена Нобелевская премия.

Волновая природа света былаустановлена в начале XIX века, когда ряд экспериментов по дифракции иинтерференции света ниспроверг конкурировавшую с волновой корпускулярную теориюсвета. Теория фотоэффекта Эйнштейна снова вызвала к жизни представление освете, как о потоке частиц. Не означает ли это, что надо отбросит волновуютеорию и вернуться к старой корпускулярной? Или же свет играет двойственнуюроль (то частиц, то волн)? Тогда может быть и электрон, который считаличастицей, ведет себя подобно волне?

Ответы на эти вопросы были получены в20-х годах нашего столетия, когда эксперименты показали, что и свет, и электронымогут обнаруживать свойства как волн, так и частиц. Этот корпускулярно-волновойдуализм был введен в качестве основного принципа в создаваемую в те годыволновую механику, или квантовую теорию.

Разнообразные экспериментыдемонстрируют двойственную природу излучения и вещества: электронраспространяется наподобие волны, а свет взаимодействует подобно частицам. Какже описать “частицы света” и “электронные волны”?

Излучение всегда состоит из набора(суперпозиции) волн с разными частотами. Если эти частоты заключены в узкойобласти около центральной частоты, то интерференция соответствующих волноказывается конструктивной в одной области пространства и деструктивной во всемостальном пространстве. Такая локализованная группа колебаний называется волновымпакетом. Волновой пакет электромагнитного излучения (т.е. фотон)распространяется как целое со скоростью света. В случае фотона желтого светаволновой пакет состоит примерно из 600000 колебаний.

В эксперименте со щелями электроныведут себя как волны и создают интерференционные эффекты аналогично световымволнам.

Два важных заключения, имеющихрешающее значение для развития квантовой теории:

1. Отдельные электроны или фотоныобнаруживают волновое поведение, состоящее в том, что они способныинтерферировать сами с собой.

2. Отдельные электроны или фотоныимеют корпускулярное поведение, состоящее в том, что они взаимодействуют свеществом только в дискретных точках; но указать места, где происходят такиевзаимодействия в каждом отдельном случае, можно только в вероятностном смысле.

Действительно ли существует дуализмволна-частица? Как понимать тот факт, что электроны и фотоны появляются иногдав облике частиц, а иногда в облике волн? Может быть, это “кентавры” — наполовину волны, а наполовину частицы? А может быть они способнытрансформироваться из одного обличья в другое?

Ответ на эти вопросы становится ясен,если четко представить себе, что когда мы описываем поведение электрона илифотона, как поведение частицы или волны, то мы навязываем классическое описаниеобъектам, имеющим существенно неклассическую природу. Электроны и фотоны неподчиняются законам классической механики — их поведение правильно описываетсятолько квантовой механикой. Поэтому нет ничего удивительного, что прииспользовании классических представлений для описания квантовых объектоввозникает некоторая двусмысленность.

Для математического описанияпроцессов взаимодействия электронов и фотонов с веществом вводится величина,которая называется волновой функцией частицы или фотона. Эта функция обычнообозначается буквой пси — j и используется для вычисления вероятности того, чточастицу или фотон можно обнаружить (по их взаимодействию с веществом) в даннойточке.

В квантовой механике на энергиюсвободной частицы, движущейся в пространстве, не накладывается никакихограничений. Такая частица может иметь любую длину волны и любую кинетическуюэнергию. Зависимость между кинетической энергией и импульсом являетсяквадратичной

В случае свободной частицы нетразличий между результатами классической и квантовой механики энергию. Однакоесли ограничить движение частицы, то обе теории уже не будут приводить кодинаковым результатам.

Рассмотрим движение частицы вограниченном пространстве между точками x=0 и x=L. Можнопредставить себе, что частица движется между двумя непроницаемыми стенками,совершая прямолинейное движение то в прямом, то в обратном направлениях. В этомслучае никаких ограничений на энергию частицы не существует.

Рассматривая движение квантовойчастицы при тех же условиях, мы должны принять во внимание ее волновыесвойства. При этом существенно, что волновая функция частицы должна обращатьсяв нуль при x=0 и x=L, поскольку частица не имеет права покинуть этоограниченное пространство. Это означает, что в “ящике” должны помещатьсястоячие волны де Бройля, что возможно при условии, что на длине 2Lукладывается целое число длин волн.

Вероятность обнаружить частицу вкакой-либо точке внутри “ящика” пропорциональна квадрату пси-функции. Врезультате внутри “ящика” имеются области, где эта вероятность равна нулю, чтопротиворечит классическим представлениям.

Частица в “ящике” может обладатьтолько определенными значениями энергии. В отличие от классического вариантаквантовая частица может иметь на параболе зависимости E от p только отдельныезначения (точки).

Второй важный результат состоит втом, что частице запрещено иметь нулевую кинетическую энергию, т.е. частицавнутри “ящика” не может находиться в состоянии покоя. Ибо в этом случае частицаимела бы равный нулю импульс и, следовательно, бесконечно большую длину волныде Бройля.

Под частицей мы понимаем нечтолокализованное в пространстве. Согласно классической теории, частица в каждыйданный момент занимает вполне определенное положение и имеет точно определеннуюскорость движения.

Квантовая теория не может предсказатьрезультат отдельного события, однако она дает с большой точностью средниезначения для большого числа событий. В этом и состоит основной смысл принципанеопределенности.

Принцип неопределенности являетсяодним из проявлений корпускулярно-волнового дуализма излучения и вещества.Волну нельзя локализовать в пространстве, и поэтому любое измерение положенияобъекта, обнаруживающего волновые свойства, принципиально сопряжено снеопределенностью.

Атомы, молекулы,кристаллы

Первую количественную теорию атомаразработал в 1913 г. датский физик Нильс Бор (теория атома водорода). Он принялпредложенную Резерфордом модель атома с сосредоточенным в центре ядром и внешнимиэлектронами. Согласно классической теории такая система может быть устойчивой,если электроны находятся в движении. Таким образом, атом должен быть подобенминиатюрной Солнечной системе, в которой роль Солнца играет ядро, а планет — электроны. Однако согласно классической теории движущиеся электрические зарядыдолжны излучать энергию в виде электромагнитных волн. Расчеты показывали, чтоэлектрон в атоме водорода должен излучить всю энергию за ничтожную долю секунды(порядка 10-9 с). Однако в атоме этого не происходит.

Бор предположил, что классическаяэлектромагнитная теория к атому не приложима, что энергия электрона не теряетсяна излучение, когда он движется по орбите; электрон излучает энергию толькотогда, когда он совершает переход между двумя разрешенными орбитами, причемэнергия испущенного фотона равна разности энергий электрона на этих орбитах.

Для невозбужденного атома радиусорбиты составляет /> м. При возбуждении атомаэлектрон перескакивает на одну из более удаленных от ядра орбит. Радиусывозможных орбит описываются формулой

где/> - постоянная Планка, m — масса электрона, e — заряд электрона,n — главное квантовоечисло, фиксирующее порядковый номер орбиты электрона.

Таким образом, Бор предположил, чтомомент импульса электрона квантуется.

Бор подвергся суровой критике запопытку ниспровергнуть господствовавшие в течение столетий классические теории.Сам Бор затруднялся дать надлежащее объяснение фундаментального значения такойстранной смеси классической динамики и гипотезы квантования. Прошло более 10лет, прежде чем развитие новой квантовой механики позволило объяснитьзамечательные результаты Бора.

К середине 20-х годов стало ясно, чтотеория строения атома Бора-Зоммерфельда, будучи сплавом как классических, так иквантовых представлений, не может дать полного и удовлетворительного объяснениясвойств атомов. В 1925-1926 гг. родился новый взгляд на природу атомныхпроцессов, основанный не на использовании орбит электронов и электронных“прыжков” с одной орбиты на другую, а на описании волновых свойств электронов.Классическое представление об орбитах было отброшено; его заменила волноваямеханика или квантовая теория элементарных процессов.

В 1925 г. Вернер Гейзенберг и ЭрвинШредингер дали эквивалентные математические описания поведения электрона, аГаудсмит и Уленбек ввели понятие спина электрона. В следующем году Макс Борндал вероятностную интерпретацию волновой функции. В 1928 г. Паули сформулировалпринцип, позволивший объяснить расположение атомных электронов по оболочкам (вданной электронной системе, в атоме или молекуле, состояния всех электроновразличны), Гейзенберг сформулировал принцип неопределенности, а П.А.М.Диракразработал релятивистскую квантовую теорию.

Эти достижения позволили получитьответ почти на любой вопрос, связанный со строением атомов. По своему значениюквантовая теория соизмерима, а может быть и превзошла сформулированный Ньютономзакон всемирного тяготения и объяснение движения планет.

Микрочастица не имеет положения искорости в макроскопическом смысле этих понятий. Обычные механические величиныприменимы в микромире с ограничениями. Существо дела состоит в том, что нельзярассматривать электрон изолированно, вне взаимодействия с другимимикрочастицами. Следовательно, нельзя говорить и о траектории электрона ватоме, его орбите.

В атоме нет электронных орбит, есть электронноеоблако. Атомное ядро как бы окружено облаком отрицательного заряда, особенноплотным на тех расстояниях от ядра, которые Бор считал радиусами орбит. Этооблако есть облако вероятности нахождения электрона. Электронные облака имеютразличную форму у различных атомов. Форма и протяженность облака меняются приизменении энергии атома.

Можно ли представить себе электрон?(в атоме) Орбитали дают нам представление только о том, в каких точкахпространства вероятнее всего нахождение электрона в данный момент времени.Сказать же точно, где он находится в данный момент времени в атоме, мы не можемпотому, что это невозможно вообще. И представить себе электрон мы не можем,потому что в нашем мире нет наглядных объектов, с которыми можно было бы егосопоставить.

При рассмотрении состояния электронав атоме физики вводят представление об электронном облаке. Форма и эффективныеразмеры его определяются квантовыми числамиn и l и меняются припереходе электрона из одного состояния в другое — отождествлять электронноеоблако с электроном нельзя.

Чтобы описать размеры и формуэлектронного облака, используется функция “пси” (волновая функция), котораядает возможность определить вероятность обнаружения электрона с даннымиквантовыми числами в некотором элементе объема.

Движущийся по орбите электрон можнорассматривать, с одной стороны, как некую корпускулу (с определенными массой,энергией, зарядом), а с другой — как некую волну, длина которой укладывается надлине орбиты целое число раз (это число есть главное квантовое число).

Состояние электрона в атомеопределяется набором квантовых чисел:

n — главное квантовое число, 1,2,3… — число уровнейэнергии. При

n = 1 значение энергии соответствует основномусостоянию атома. В основном состоянии атом обладает наименьшим значениемэнергии. Все состояния атома при n>1 называют возбужденными.

Существенной особенностью всех атомови молекул является их способность удерживать электроны в ограниченной областипространства. Вследствие волновой природы частиц свободный электрон, движениекоторого ограничено размерами этого пространства L, должен вести себяподобно звуковой волне, распространяющейся то в одну, то в другую сторону впомещении с абсолютно отражающими стенками. В соответствии с условием обращенияв нуль волновой функции электрона на границах пространства допустимы лишьволны, у которых на отрезке длиной L укладывается целое число полуволн.Таким образом, допустимы лишь определенные волновые функции, или, иначе,определенные состояния электрона. Эти условия такие же, как для случая стоячихволн на струне.

Итак, электрон — частица сопределенным зарядом и массой, проявляющая специфические волновые свойства иприобретающая поэтому дискретные значения энергии в атоме или молекуле.

Второе квантовое числоlназывают орбитальным или побочным, оно подчеркивает “неравноценность” всехэлектронов в данной оболочке.

Орбитальный момент импульсаквантуется, принимая только значения, кратные h:

L = lh, l = 0, 1, 2… n — 1Орбитальное квантовое число — l может иметь только положительныезначения от 0 до n-1.

Форма электронного облака зависит отзначения квантового числа l. Если оно равно нулю, то электронное облакоимеет сферическую форму. Если -1, то форму вращения, полученную из“восьмерки”. При больших значениях — более сложную форму.

Так как момент импульса — вектор, онимеет не только численное значение, но и направление. Обычно не существуеттакой физической величины, которая имела бы выделенное направление впространстве, и поэтому направление L не имеет значения. Однако в магнитномполе некоторое направление в пространстве оказывается выделенным. Связьмагнитного поля с направлением момента импульса обусловлена тем, чтоорбитальный электрон подобен крошечному магниту, и поэтому взаимодействует смагнитным полем.

Так как движущийся заряд отрицателен,магнитный момент, обусловленный орбитальным движением электрона, направленпротивоположно моменту импульса и, подобно ему, квантуется: величина проекциимомента импульса на направление поля определяется квантовым числом m.

Вообще проекция орбитального моментана направление поля равна

Lz = mh,

где m — магнитное квантовое число,которое может иметь значения -l, -l+1,-l+2,… -1, 0, 1,… l-2, l-1, l, т.е. всего 2l+1 значений.

Кроме того, электрон, как находящийсявнутри атома, так и свободный, имеет некий внутренний, так называемыйсобственный момент импульса, называемый спином, S.

S = sh, где s — спиновое квантовоечисло, которое может иметь только одно значение: s = 1/2. Поэтомусуществуют только две разрешенные проекции S на выбранное направление+1/2 и -1/2, так как проекции L и S могут отличаться только навеличины, кратные h.

И в классической, и в квантовойфизике заряженное тело, обладающее моментом количества движения, являетсямагнитом.

Орбитальный магнит направлен по осиорбиты. Что касается спинового магнетизма электрона, то для его наглядногоизображения следует представить электрон в виде твердого тела, вращающегосявокруг собственной оси (по-английски to spin — крутить волчок).

Но у электрона нет орбиты, и волчкомон не является. Тем не менее он имеет и орбитальный и спиновый магнетизм.

Таким образом, электрон в атомехарактеризуется четырьмя квантовыми числами n, l, m, s, выражающимичетыре физических величины: энергию, орбитальный момент количества движения,его проекцию на выделенное направление в пространстве (направление магнитногополя) и такую же проекцию спинового момента. Без этих квантовых чисел нельзяпонять основных свойств атома, а также физического смысла периодического законаМенделеева.

Периодический законМенделеева

Очевидно, что периодичностью должныобладать свойства электронов в атомах. Если атомы состоят из ядер и электронов,и электроны могут существовать в различных состояниях, то именно этиэлектронные состояния ответственны за физическое и химическое поведение атомов.

Для понимания распределенияэлектронов по доступным им состояниям необходимо иметь в виду два принципа.

Первый: при прочих равных условияхэлектрон должен находиться в том состоянии, в каком его энергия минимальна.Если электрону сообщена большая энергия и он имеет возможность перейти на болеенизкий энергетический уровень, то он это сделает. При этом избыток энергиивыделится ввиде света или иным путем.

Второй принцип — запрет Паули.Разберем последовательно строение атомов ряда элементов, помня, что атомныйномер элемента выражает число электронов в атоме.

Водород. Наименьшее возможноезначение энергии единственного электрона в атоме H соответствует наименьшемузначению главного квантового числа n, т.е. 1. Следовательно, l = 0 (наибольшеезначениеl есть l-1), m = 0 и s имеет произвольноезначение +1/2 или -1/2.Главное квантовое число записывается цифрой, а числоl — буквой:l=0 — s, l=1 — p, l=2 — d, l=3 — f и т.д. (g, h, i,...) Значит, в атоме водорода электрон имеет состояние 1 s. В атомегелия He — два электрона. Они оба могут быть в состоянии 1 s, носогласно принципу Паули их спиновые числа должны иметь разные знаки: +1/2 и-1/2. Обозначив спиновые числа стрелками, можно представить состояния атомовводорода и гелия следующим образом:

H 

He 

У лития три электрона. Третийэлектрон уже не может попасть в клеточку 1s (принцип Паули не допускаетэтого). Следовательно, у третьего электрона должно возрасти главное квантовоечисло: n = 2. Он попадает в состояние 2s.

1s 2s

Li  

Be  

В каждой клеточке может быть не болеедвух электронов. Пятый атом бора должен попасть в следующую клетку. Но при n=2число l может иметь уже два значения:l=0 и l=1. Приl=0число m равно 0 и только 0, а при

l=1 m имеет три значения -1, 0 и 1. Соответственносостоянию с n=2,

l=1, т.е. 2p, принадлежит уже три клеточки, вкаждой из которых может поместиться по два электрона с антипараллельнымиспинами.

Теория и спектроскопия показывают,что заполнение p-клеток происходит по правилу: электроны располагаются преждевсего по клеткам, отвечающим различным значениям квантового числа m так, чтобывсе спиновые стрелки смотрели в одну сторону. Это значит, что суммарный спинатома должен быть максимальным.

У атома He электронами использованывсе возможности, отвечающие главному квантовому числу n=1, и таких возможностейтолько 2. У атома Ne заполнены все клеточки, отвечающие n=2; таких клеток 4 и вкаждой по 2 электрона, всего 8 электронов.

У следующего за неоном элемента Naначинается новая оболочка: одиннадцатый электрон попадает в состояние 3s и т.д.

Сказанного достаточно, чтобы понять,чем определяется периодичность свойств элементов, открытая Менделеевым. Зафизические и химические свойства атома ответственны прежде всего его внешниеэлектроны — те электроны, у которых главные квантовые числа имеют наибольшеезначение. Обладая наибольшей энергией, эти электроны легче других могут бытьотделены от атома, они дальше отстоят от ядра и легче поддаются различнымвоздействиям. Внутренние электроны, входящие в состав заполненных оболочек,защищены от этих воздействий внешними электронами.

Квантовые переходы иизлучение

Почти все свойства атомов — химические, электрические, магнитные, оптические и т.д. — зависят отконфигураций внешних электронов. Только в случае очень сильного воздействия наатом в игру вступают сильно связанные внутренние электроны.

Если сообщить атому достаточнуюэнергию за счет столкновения с быстрым электроном (как это происходит врентгеновской трубке) или облучая его фотонами большой энергии, то удаетсявыбить один из внутренних K-электронов. Электрон с более удаленной от ядраL-оболочки перейдет на K-оболочку и займет освободившееся место, испуская приэтом жесткий фотон. В конце концов, после всех переходов с одной оболочки надругую и испускания серии рентгеновских квантов, из окружающей среды внешнейоболочкой будет захвачен свободный электрон и атом вернется в электрическинейтральное состояние.

Атомы и молекулы

Ядра имеют положительныйэлектрический заряд и окружены роем отрицательно заряженных электронов. Такоеэлектрически нейтральное образование называют атомом. Атом есть наименьшаяструктурная единица химических элементов.

Атомные электроны образуют весьмарыхлые и ажурные оболочки. Распределение электронов по оболочкам подчиняетсяопределенным правилам, установленным квантовой механикой. Электроны,находящиеся на внешних оболочках атомов, определяют их реакционную способность,т.е. их способность вступать в соединение с другими атомами.

Связь атомов возможна, еслисовместная внешняя оболочка целиком заполнена электронами. Такое образованиеназывают молекулой. Молекула есть наименьшая структурная единица химическогосоединения. Число возможных комбинаций атомов, определяющих число химическихсоединений, составляет около 106.

Некоторые атомы (углерода и водорода)способны образовывать сложные молекулярные цепи, являющиеся основой дляобразования макромолекул, которые проявляют уже биологические свойства.

В природе лишь немногие атомысуществуют поодиночке, поскольку у большинства элементов атомы химическинестабильны. Для того, чтобы атом был стабильным, его внешняя электроннаяоболочка должна быть заполнена определенным числом электронов (у водорода игелия — 2, у остальных — 8).

Атомы с незаполненными внешнимиэлектронными оболочками способны вступать в химические реакции, образуя связи сдругими атомами. Реакции сопровождаются перегруппировкой электронов, врезультате которой внешняя электронная оболочка у каждого из атомов оказываетсязаполненной.

Соединением называют вещество, вкотором атомы двух или более элементов объединены в определенном соотношении.Соединение характеризуется определенным составом и определенным наборомсвойств, отличающихся от свойств элементов, из которых оно состоит. Например,свойства воды отличаются от свойств водорода и кислорода, из которых онасостоит.

Молекула — это мельчайшая частицасоединения, сохраняющая все его свойства (соединения с ионными связями, какнапример, NaCl, состоят не из молекул, а из ионов). Атомы могут соединяться вмолекулы, если энергия связанных атомов окажется меньшей, чем суммарная энергияизолированных атомов.

Кристалл образуется путем регулярногоповторения расположения атомных групп в пространстве. Существует 14 различныхосновных типов кристаллов. Кристаллы могут быть ионными (кристаллы повареннойсоли) и ковалентными (графит, алмаз). Металлы образуют еще один типкристаллических структур, в которых внешние электроны не связаны с каким-либоопределенным атомом; эти электроны могут свободно перемещаться внутри металла(электроны проводимости). Металлы со свободными электронами в межатомномпространстве являются хорошими проводниками. В ионных и ковалентных кристаллахкаждый электрон связан с определенным атомом или парой атомов; свободныеэлектроны отсутствуют. Поэтому кристаллы типа NaCl или алмаза плохо проводятэлектричество.

Мир реальных макрообъектов- статистическая физика

Выход книги Дарвина “Происхождениевидов” (1859) совпал с открытием Дж. Максвеллом статистического закона ораспределении молекул по скоростям, который допускает случайные события. Стеорией естественного отбора Дарвина и законом Максвелла в науку вошлопредставление о динамических и статистических закономерностях. Первые точноопределяют поведение отдельных тел, вторые — вероятность поведения тел,входящих в большие ансамбли.

В физике, химии и биологиивстречаются статистические закономерности, отличие которых от законов механикисостоит в том, что статистические закономерности управляют системами,состоящими из огромного числа объектов, подверженных случайным событиям.Случайными называют события, которые зависят от множества причин, связи междукоторыми не представляется возможным установить. Но при многократном повторениислучайных событий проявляются определенные закономерности.

Согласно представлениям того временичья-то смерть или рождение, хорошая погода сегодня или война в будущем былипредопределены существовавшим до этого расположением и скоростью частиц,составляющих Вселенную. “Природа проста и не роскошествует излишнимипричинами”, — утверждал один из создателей механистической картины мира — ИсаакНьютон. С открытием статистических закономерностей, которые вошли в науку сработами Дарвина, Максвелла, Больцмана, начали формироваться новыепредставления о мире, которые более адекватно отражали существующие в немвзаимосвязи.

Статистическая физика принялазавершенный вид после работ американского физика Дж.У.Гиббса, который дал общийметод вычисления усредненных макроскопических величин для произвольной системы.

Для описания движения планет,космического корабля, работы простых механизмов используют уравнения механики,которые позволяют определить положения и скорости всех частей системы. Ноуравнения механики становятся бессильными, когда число частиц в системе оченьвелико, например, когда надо описать поведение газа или электрического тока.

Статистическая физика изучаетсвойства сложных систем — газов, жидкостей, твердых тел и их связь сосвойствами отдельных частиц — атомов и молекул, из которых эти системы состоят.Для таких систем не нужно слишком детального описания. Нельзя измерить энергиюи импульс всех молекул газа. В газе мы измеряем давление, которое естьрезультат ударов большого числа молекул; сопротивление кристалла есть следствиебольшого числа столкновений электронов с атомами. Во всех физических системах,состоящих из большого числа частиц, изучаются величины, усредненные по многимчастицам.

Ансамбль (статистический) — совокупность одинаковых физических систем многих частиц, находящихся водинаковых макроскопических состояниях, в то время как микросостояния могутбыть различными.

Тепловое равновесие ифлуктуации. Неравновесные состояния и релаксация

Релаксация — процесс установлениятермодинамического равновесия в макроскопической физической системе. Подвременем релаксации разумеют время установления равновесия в системе. Времярелаксации существенно зависит от размеров системы, а именно оно растет сувеличением размеров макротел. Это означает, что малые части макросистемыприходят в равновесие значительно быстрее, чем все тело в целом.

В связи с этим можно ввести понятие олокальном равновесии, т.е. равновесии в точке, под которой понимается элементобъема тела, достаточно малый по сравнению с размерами самого тела, носодержащий достаточно большое количество молекул или атомов.

При локальном равновесии “точкасреды” характеризуется свои местным значением температуры, а сама неравновеснаясреда описывается “полем температур”. С течением времени неполное равновесиевсей замкнутой системы превращается в полное, температура для всех ее частейпостепенно выравнивается. В равновесных системах давление и температурапостоянны по всему объему тела. Если же в теле имеется какое-то распределениедавлений и температур, значит система неравновесная. Из-за наличия перепадов(градиентов) давления в таком теле возникают внутренние макроскопическиедвижения, характеризующиеся некоторым распределением скоростей.

Тепловая физика: от Карнок Гиббсу

С.Карно, “Размышления о движущей силеогня и машинах, способных развивать эту силу”, 1824 г. Основная идея: тепловаямашина производит работу благодаря передаче тепла от источника — нагревателя,находящегося при температуре T1, к холодильнику, находящемуся при температуреT2<<T1, т.е. от более нагретого тела к менее нагретому. С.Карно впервыеразработал метод циклов. Цикл — это последовательность процессов, которыевозвращают в конечном счете всю систему участвующих в них тел в первоначальноесостояние. На основе цикла Карно сформулирован второй закон термодинамики.

Согласно второму законутермодинамики, во всякой изолированной (т.е. не испытывающей никакихвоздействий со стороны других тел) системе самопроизвольно протекают толькотакие процессы, которые приводят ее в состояние, не изменяющееся в дальнейшем стечением времени. Такое состояние системы называется тепловым равновесием. Ономожет достигаться в системе и тогда, когда она не является изолированной, нонаходится в неизменных внешних условиях.

Хорошо известный пример: тепло всегдапереходит от горячего тела к холодному, пока температуры обеих тел не станутодинаковыми и не установится тепловое равновесие. Однако понятие тепловогоравновесия значительно сложнее.

С точки зрения кинетической теориисостояние теплового равновесия возникает как результат равенства скоростейпрямого и обратного процессов (например, равенства скоростей испарения иконденсации в замкнутом сосуде с жидкостью).

Следует подчеркнуть, что равенствоэто выполняется лишь в среднем (для не слишком малых промежутков времени и неслишком малых объемов): при переходе к малым временам и малым объемамнаблюдаются отклонения от теплового равновесия, или флуктуации, обусловленныенеточным совпадением скоростей противоположно направленных элементарныхпроцессов в каждый данный момент.

Состояние теплового равновесияустойчиво. Понятие теплового равновесия применимо не только к выравниваниютемпературы вследствие переноса тепла, к фазовым превращениям, к химическимреакциям, но и к любым явлениям природы — физическим, химическим,биологическим, космическим: любая система при неизменных внешних условиях стечением времени всегда приходит в состояние теплового равновесия и никогдасамопроизвольно из него не выходит.

Термодинамики устанавливает критериитеплового равновесия. Американский физик Дж.У.Гиббс, один из создателейклассической и статистической термодинамики, придумал для расчета равновесийметод термодинамических потенциалов, или характеристических функций.

Согласно Гиббсу, существуют такиефункции, которые в состоянии теплового равновесия достигают минимума. Например,если процесс происходит при заданных температуре и давлении, то в состояниитеплового равновесия минимума достигает свободная энергия Гиббса; втеплоизолированной системе, находящейся при постоянном объеме, — внутренняяэнергия.

Энергия, температура,энтропия

Немецкий физик Р.Клаузиус ввелфункцию S, которую он назвал энтропией и сформулировал второй законтермодинамики (1865): “При самопроизвольных процессах в системах, имеющихпостоянную энергию, энтропия всегда возрастает”.

Вот несколько равноценныхформулировок второго начала термодинамики:

1) невозможно построить вечныйдвигатель второго рода, то есть машину, которая работает за счет теплаокружающей среды;

2) работу можно получить лишьвыравнивая перепады каких-либо параметров системы (температуры, давления,электрического потенциала);

3) в замкнутой (то есть не получающейэнергии извне) системе прирост энтропии всегда положителен;

4) все самопроизвольно протекающиепроцессы в замкнутых системах идут в сторону наиболее вероятного состояниясистемы.

Австрийский физик Л.Больцман открылфизический смысл энтропии и причины ее роста в изолированных системах: энтропия- мера беспорядка в системе. Полный порядок соответствует минимуму энтропии;любой беспорядок увеличивает ее. Максимальная энтропия соответствует полномухаосу. Энтропия жидкости больше, чем твердого тела; а энтропия газа больше чемэнтропия жидкости.

Больцман впервые ввел понятиетермодинамической “вероятности состояния системы”. Всякая система, состоящая изочень большого числа частиц, будет переходить от состояний менее вероятных ксостояниям более вероятным, осуществляющимся большим числом способов. Связьмежду энтропией S и числом способов реализации данного состояния(термодинамической вероятностью) P дает формула Больцмана: S=klnP+const, где /> -постоянная Больцмана. Или S=klnW. Читается эта формула так: энтропиязамкнутой системы прямо пропорциональна натуральному логарифмутермодинамической вероятности состояния системы.

Когда энтропия системы достигаетмаксимума, то никакие процессы в ней невозможны. Но при этом необходиморазличать микропроцессы и макропроцессы. В природе необратимы всемакроскопические процессы, они протекают в направлении возрастания энтропии.Необратимым является такой процесс, который в обратном направлении можетпротекать только как одно из звеньев более сложного процесса.

Одному и тому же макросостоянию можетсоответствовать множество микросостояний, которые с течением времени непрерывносменяют друг друга, хотя на макроуровне может не наблюдаться никаких изменений.Действие закона возрастания энтропии при протекании процессов в замкнутыхсистемах проявляется только на макроуровне.

Энтропия, как и энергия, — функциясостояния системы. Энергия проявляется в работе. Энергия как функция состояниясистемы характеризуется определенными координатами, а работа равна разностиэнергий системы при переходе ее из одного состояния в другое.

В соответствии с законом сохраненияэнергии все формы движения материи могут переходить одна в другую. Носуществуют “ловушки”, в которых различные виды движения материи превращаются втепловое движение -трение, электрическое сопротивление, теплопроводность. А этопревращение необратимо. В конце концов вся энергия системы превращается вэнергию теплового движения и рассеивается в окружающем пространстве, а энтропиясистемы достигает максимума.

Энергия и энтропия всегда рядом.Энергия дает жизнь каждому листику, травинке, движение облакам, рекам, ветру. Аэнтропия? Если бы ее не было, все процессы в мире стали бы обратимыми. Книгасоскользнет на пол и расползется на волокна, раскрутятся гайки и винты, на насобрушится какофония звуков, которую произведут все происшедшие на Земле ударыгрома, выстрелы, взрывы, музыка, речь людей… В таком мире все виды движенияматерии будут долго превращаться друг в друга без потерь, но как бы мы прожилив этом мире?

Ближний и дальний порядкив природе

Ближний порядок — относительноупорядоченное расположение соседних частиц внутри малых объемов вещества.Дальний порядок — регулярное периодическое расположение частиц вещества повсему занимаемому им объему.

Строгое определение порядка ибеспорядка математики дали лишь где-то в начале 60-х годов ХХ века.

Сравним две записи:

1)1010101010101010101010101010101010101010

2) 1100001101010000001110101000001110011001

Для записи первого числа достаточносказать: повтори набор 10 двадцать раз, для записи второго нужно продиктоватьвсе 40 цифр.

Степень беспорядка может бытьопределена объемом информации, которую надо сообщить для записи числа.

3)000011100000001111111111000000011111100000000

Данная запись характеризуетсямикроскопическим беспорядком (последовательности цифр чередуются как попало),но макроскопическим порядком (часто встречаются длинные последовательностинулей и длинные последовательности единиц).

Тело или система с идеальныммакроскопическим беспорядком, в котором все направления равноценны, называетсяизотропным.

Тело, в котором разные направлениянеравноценны, называют анизотропным.

Распределение молекул в газах являетсяпримером осуществляющегося в природе полного, совершенного беспорядка врасположении и движении частиц.

ХасХс (гр.) — полный беспорядок.Хдаос — в древнегреческой мифологии бездна, наполненная мраком и туманом, изкоторого произошло все существующее.

Микропорядок и макропорядок.Ближний и дальний порядок

Модель 1: мешки с картошкой,уложенные штабелями. Центры мешков образуют правильную трехмерную решетку, авнутри мешка полный беспорядок. Макроскопический дальний порядок есть,микроскопического нет.

Модель 2: мешки с картошкой сваленыкак угодно, у каждого в среднем двенадцать соседей. От дальнегомакроскопического порядка мы избавились, а ближний остался.

Деление порядка на ближний и дальний,на макроскопический и микроскопический могут сочетаться, как угодно, и всеслучаи действительно встречаются в мире молекул и кристаллов.

Особенно интересны такие сочетания вмире живого, где мы находим случаи отсутствия микроскопического порядка иналичия дальнего макроскопического. Так обстоит дело в структуре мышц, вмолекулах ДНК.

Если молекулы предоставлены сами себеи на них не действуют мешающие их тепловому движению силы, то наиболеевероятным является беспорядочное распределение молекул. Беспорядочным являетсятакое состояние, когда средние скорости молекул во всех точках пространстваодинаковы.

В любой области знаний мысталкиваемся с проблемами порядка и беспорядка (информация, генетика, суждениялюдей...) Например макроскопическим порядком обладают суждения людей оспортивных достижениях (измеряемые в баллах), о понятиях добра и красоты...

Фазовые переходы исимметрия

Переходы вещества из одной фазы вдругую при изменении состояния системы называют фазовыми превращениями. Фаза — совокупность телесных объектов с определенным химическим составом и термодинамическимисвойствами, отделенная от других фаз поверхностью раздела. Или иначе: фаза — это однородная часть неоднородной системы.

Фазовый переход — переход вещества изодной термодинамической фазы в другую при изменении внешних условий.

Фазовый переход первого рода — сопровождается скачкообразным изменением внутренней энергии и плотности.

Фазовый переход второго рода — отсутствует скачкообразное изменение внутренней энергии или плотности.

Фазовые переходы второго рода связаныс изменением порядка. Вблизи температуры фазового перехода степень порядкасколь угодно близка к нулю. Поэтому фазовый переход второго рода не требуетзатрат энергии.

При фазовых переходах второго родапроисходит изменение внутренней симметрии тел. Примерами таких переходов могутслужить: 1) переход металла в сверхпроводящее состояние; 2) переходыферромагнетик — парамагнетик; 3) переход жидкого гелия в свертекучее состояние.

Необратимость — неустранимое свойство реальности. Стрела времени

Мир — это непрерывно хаотическидвижущиеся атомы и молекулы. Однако как это связать с гармонией и красотойокружающего нас макромира?

Джон Холл (XVII век): “Если то,что мы называем Вселенной, случайно зародилось из атомов, которые неутомимы всвоем вихревом движении, то как случилось, что ты прекрасна, а я влюблен?”

Чем объясняется направленностьпроцессов в окружающем мире? Закон, при помощи которого можно предсказатьнаправление эволюции какой-либо физической системы, называется вторым началомтермодинамики. Одна из его формулировок гласит: замкнутая система сама по себе,т.е. самопроизвольно, переходит из менее вероятного состояния в болеевероятное.

Закон возрастания энтропии можносформулировать следующим образом: во всех замкнутых системах энтропия никогдане убывает, она либо остается постоянной, либо возрастает. Соответственно этимдвум возможностям все процессы, которые могут происходить с телами, делятся наобратимые и необратимые. Первые из них могут протекать как в прямом, так и вобратном направлениях, поскольку энтропия при этом не меняется; для вторых — это невозможно, поскольку связано с уменьшением энтропии.

По мнению ряда авторов, наблюдаемое влабораторных экспериментах направление времени тесно связано с направлениемвремени, характерным для Вселенной в целом. Возможно, следует предположитьсуществование некоторого взаимодействия (может быть, гравитации), наличиекоторого вообще делает в принципе невозможным строгую изоляцию системы, иименно это взаимодействие “диктует” направление времени во всех частяхВселенной (Ф.Кемпфер, 1972).

Развитие материальных систем воВселенной происходит необратимым образом — от прошлого к будущему. Этоозначает, что течение времени асимметрично: оно направлено от прошлого (черезнастоящее) к будущему, причина всегда предшествует следствию, “стрела времени”всегда устремлена в будущее.

Не следует слишком упрощенно пониматьсвязь стрелы времени с космологическими процессами: стрела времени не будетизменять свое направление на обратное, если Метагалактика когда-нибудьперестанет расширяться и начнет сжиматься. Если наблюдатели могли бы только почасам судить о происходящих во Вселенной процессах, то они, вероятно, даже незаметили бы, что расширение Метагалактики сменилось сжатием.

Литература

1. Аронов Р.А.Квантовый парадокс Зенона/ Природа, 1992, 12

2. Ильин В.Г.,Илясов Ю.П., Кузьмин А.Д. Пульсары — независимые стандарты времени/ Природа,1990, 2

3. Киржниц Д.А.Элементарная длина/ Природа, 1991, 10

4. Фролов В.П.Черные дыры, “кротовые норы” и машина времени/ Природа, 1991, 8

5. Хокинг С. Стрела времени/Природа, 1990, 1

Тема1.3. Физика как целоеИерархия структур природы

Выделяют три крупных структурныхуровня организации Вселенной:

— мегамир (Галактики, Метагалактика)

— макромир (человек, окружающаясреда, планета)

— микромир (элементарные частицы,атомы, молекулы)

С точки зрения физиков иерархияобъектов природы выглядит следующим образом: элементарные частицы — ядра — атомы — молекулы — макротела (кристаллы, жидкости, газы, плазма) — планеты — звезды — галактики -Вселенная. Биологи предлагают следующую иерархиюбиологических систем: макромолекулы — органоиды — клетки — ткани — органы — системы органов — организмы — популяции — виды — биоценозы — биосфера.

В социологи можно выделить следующиеуровни социальной организации: семья — род — племя — нация — цивилизация (?)

Микромир

Элементарные частицы ифундаментальные взаимодействия. В природе существуют качественно различныесвязанные системы объектов — ядра, атомы, макротела, звездные системы.Существует нечто такое, что скрепляет части системы в целое. Чтобы разрушитьсистему частично или полностью, нужно затратить энергию. Взаимное влияниечастей системы характеризуется энергией взаимодействия, или простовзаимодействием.

В настоящее время принято считать,что любые взаимодействия каких угодно объектов могут быть сведены кограниченному классу основных фундаментальных взаимодействий: сильному,электромагнитному, слабому и гравитационному.

Гравитационное взаимодействие(тяготение).Притяжение тел к Земле, существование солнечной системы и галактик обусловленодействием сил тяготения, или, иначе, гравитационными взаимодействиями.

Эти взаимодействия универсальны, т.е.применимы к любым микромакрообъектам. Однако они существенны лишь дляастрономических объектов, для формирования структуры и эволюции Вселенной какцелого. Гравитационные взаимодействия очень быстро ослабевают с уменьшениеммассы объектов и практически не играют роли для ядерных и атомных систем.

Источником гравитации являются массытел, а дальность гравитационного взаимодействия неограниченна.

Закон всемирного тяготения (Ньютон):гравитационная сила, с которой притягиваются друг к другу две частицы (тела),обратно пропорциональна квадрату расстояния между их центрами и прямопропорциональна произведению их масс.

где G — гравитационная постоянная = />

Электромагнитные взаимодействия. Ими обусловлены связи в атомах,молекулах и обычных макротелах. Радиус их действия также не ограничен, но онопреобладает внутри вещества: определяет химические связи, излучение света,намагничивание, словом, все явления, наблюдаемые в молекулах и атомах.Гравитационное взаимодействие здесь не сказывается из-за его малой силы, аслабое и сильное — из-за их короткого радиуса действия. Энергия ионизацииатома, т.е. энергия отрыва электрона от ядра определяет значениеэлектромагнитного взаимодействия, существующего в атоме.

Сильные (ядерные) взаимодействия. Наличие в ядрах одинаково заряженныхпротонов и нейтральных частиц говорит о том, что должны существоватьвзаимодействия, которые гораздо интенсивнее электромагнитных (в сотни раз), ибоиначе ядро не могло бы образоваться. Эти взаимодействия проявляются лишь впределах ядра на расстояниях менее 10-13 см. Сильное взаимодействиескрепляет нуклоны в ядре и кварки внутри нуклонов.

Нуклон-нуклонная сила не является“чистой” силой притяжения. На расстояниях порядка 10-14 см онастановится силой отталкивания. Мы до сих пор не знаем природы этих сил во всехдеталях; их разгадка является одной из главных проблем современной ядернойфизики.

Слабые взаимодействия. Слабое взаимодействие существуетмежду любыми парами элементарных части. Радиус их действия не больше, чем уядерных сил, а может быть, и равен нулю.

Обнаруженная в 1896 году Беккерелемрадиоактивность была первым сигналом о наличии слабых взаимодействий.Оказалось, что слабое взаимодействие принимает участие в некоторых термоядерныхреакциях, поддерживающих излучение Солнца и других звезд.

Оно является единственнымвзаимодействием, существующим между электроном и нейтрино

Это взаимодействие виртуально (накороткое время) превращает каждый протон ядра в нейтрон, позитрон и нейтрино, акаждый нейтрон — в протон, электрон и антинейтрино.

Слабое взаимодействие вызываетпереходы между разными типами кварков, бета-распады нуклонов в ядрах. Прибета-распаде один из трех кварков, составляющих нуклон, переходит в кваркдругого типа и излучает электроны и антинейтрино.

Нейтроны имеют массу, превышающуюприблизительно на 1 МэВ сумму масс протона и электрона. Поэтому свободныйнейтрон распадается на протон, электрон и антинейтрино с выделением энергииприблизительно 1 МэВ. Время жизни свободного нейтрона примерно 10 мин.

Аналогичное событие происходит смюоном — он распадается на электрон, нейтрино и антинейтрино. Перед тем, какраспасться, мюон живет около 10-6 с.

40 лет понадобилось физикам, чтобыприйти к убеждению, что слабое взаимодействие переносится сверхмассивнымичастицами — в 100 раз тяжелее протона. Эти частицы имеют спин 1 и называютсявекторными бозонами (открыты в 1983 г.)

Значительное число медленных распадовэлементарных частиц сопровождается излучением нейтрино. Эта частица крайнеслабо взаимодействует с веществом. Длина пути между двумя столкновенияминейтрино с частицами вещества в среде с обычной плотностью — 1017км. Следовательно, Земля для нейтрино совершенно прозрачна.

По своей величине основныевзаимодействия располагаются в следующем порядке: сильное (ядерное) — электрическое — слабое — гравитационное.

Физики пытаются уловить связь междусилами природы. Выяснилось, что электромагнитное и слабое взаимодействиясвязаны друг с другом. Электромагнитное поле представляет собой часть болееобщего электрослабого поля, состоящего из нескольких компонент. Элементарныечастицы — кварки и лептоны — излучают и поглощают кванты электрослабого поля,которыми являются фотоны и бозоны.

Радиус действия слабых сил />см. Наэтом масштабе они объединяются с электромагнитными силами, а на меньшихмасштабах электрослабые поля неразделимы.

Дальше начинается область гипотез.Согласно большинству из них, электрослабые взаимодействия объединяются ссильными на масштабе /> см. Трудно представить себеэксперименты на таких малых масштабах. Однако решающий эксперимент для проверкиэтого, так называемого Великого объединения может быть проведен в ближайшиегоды. Дело в том, что почти неизбежным следствием Великого объединения являетсянестабильность протона. Это процесс, при котором в нуклонах происходятпревращения кварков в антикварки и лептоны.

Вероятности таких превращений оченьмалы, иначе просто не существовали бы ни мы сами, ни окружающая нас ядернаяматерия — она бы рассыпалась на более легкие частицы. По теоретическим оценкамвремя жизни протона должно составлять />лет. Это намного больше, чемвозраст Вселенной. Но даже такие крайне редкие события можно попытатьсяобнаружить.

Другое вероятное следствие Великогообъединения — это существование монополей, одиночных магнитных зарядов. Ихмасса должна быть фантастически велика. Опыты по обнаружению космических монополейсейчас ведутся.

Эйнштейн предполагал возможностьобъединения электромагнитного взаимодействия с гравитационным. Теперьэто будет Суперобъединение — все четыре силы природы сводятся к одной, исходяиз какого-то фундаментального принципа. В последнее время все чащевысказывается мысль, что этот принцип геометрический, как и принцип общейтеории относительности.

Протон. Стабильная частица, ядро атомаводорода. Вместе с нейтронами протоны образуют атомные ядра всех элементов,причем число протонов в ядре определяет атомный номер элемента. Протон имеетположительный электрический заряд в точности равный абсолютной величине зарядаэлектрона. Протон в 1836 раз тяжелее электрона. С современной точки зренияпротон не является истинно элементарной частицей: он состоит из трех кварков.Эксперименты по рассеянию электронов на протонах свидетельствуют о наличиивнутри протонов точечных рассеивающих центров. Размеры протона около />см. Протон напоминает облако сразмытой границей, состоящее из рождающихся и аннигилирующих виртуальныхчастиц. Время жизни протона /> лет, что во много разбольше возраста Вселенной (/>лет). Поэтому протонпрактически стабилен, что сделало возможным образование химических элементов ив конечном итоге появление разумной жизни.

Нейтрон. Вместе с протонами нейтроны входят всостав атомных ядер. Электрический заряд равен нулю. Состоит из трех кварков.Устойчив лишь в составе стабильных атомных ядер. Свободный нейтрон — нестабильная частица, распадающаяся на протон, электрон и электронноеантинейтрино. Время жизни нейтрона около 15 мин. Они возникают в природе илиполучаются в лаборатории в результате ядерных реакций. Масса нейтрона 1840.Свободные нейтроны способны активно взаимодействовать с атомными ядрами,вызывая ядерные реакции. Они играют важную роль в ядерной энергетике.

Кварки вначале рассматривались как чистоматематические структурные элементы, открывающие возможность удобного описанияадронов. Эксперименты выявили наличие внутри нуклона точечных заряженныхобразований, которые отождествили с кварками.

Название было заимствованоМ.Гелл-Маном в одном из романов Дж. Джойса. В переводе с немецкого “кварк” — “творог”, но в романе это слово означает нечто двусмысленное и таинственное;герою снится сон, где чайки кричат: ”Три кварка для мистера Марка”. Терминвошел в научный обиход, возможно, потому, что соответствовал двусмысленной итаинственной роли кварков в физике.

Кварк — частица со спином 1/2 идробным электрическим зарядом. Помимо спина кварки имеют еще две внутренниестепени свободы — “аромат” и “цвет”. Каждый кварк может находиться в одном изтрех “цветовых” состояний, которые условно называют “красным”, “синим” и“желтым”. Все три состояния одинаково поглощают и испускают кванты света. Массывсех цветовых состояний также строго одинаковы.

“Ароматов” известно пять ипредполагается существование шестого: truth, beauty, charmed, strange, down, up(правдивый или истинный, прелестный или красивый, очарованный, странный, низ,верх). Свойства кварков с различными “ароматами” различны.

Каждый кварк может быть окрашен влюбой из трех цветов, иметь по два спиновых состояния +1/2 и по два зарядовыхсостояния. Это дает 6x3x2x2, т.е. 72 варианта.

Обычное вещество состоит из легчайшихu- и d-кварков, входящих в состав нуклонов ядер. Более тяжелые кварки рождаютсяискусственно.

Кварки участвуют во всех известныхвзаимодействиях — гравитационных, слабых, электромагнитных и сильных.Неизвестно, из чего состоят сами кварки; возможно, они элементарны. Ихсобственный размер, во всяком случае, меньше />.

В свободном состоянии кварки до сихне наблюдались, и есть теоретические соображения, которые указывают наневозможность таких состояний для кварков.

Лептоны — частицы, не участвующие в сильномвзаимодействии. Лептоны как и кварки, рассматривают как бесструктурные точечныечастицы, как истинно элементарные.

Электрон — отрицательно заряженнаяэлементарная частица, носитель наименьшей известной сейчас массы, и наименьшегоэлектрического заряда в природе. Заряд электрона примерно равен /> Масса электрона примерно />

Электрон стабилен, время его жизни неменее /> лет.Электроны участвуют в электромагнитных, слабых и гравитационныхвзаимодействиях.

Нейтрино — электрически нейтральная частица.Вероятно существует не более 4-6 типов нейтрино. Масса покоя нейтрино обычносчитается равной нулю, как у фотона. Но в отличие от фотона для этого нетсерьезных оснований. Японские и американские физики определили массу покояэлектронного нейтрино в пределах 11 — 13,4 эВ/с2.

Нейтрино столь же распространеннаячастица как и фотон. Нейтрино образуется в слабых распадах атомных ядер иэлементарных частиц. Мощные потоки нейтрино испускаются звездами в результатепроисходящих в их недрах термоядерных реакций. Предполагается, что нейтрино визобилии рождаются при гравитационном коллапсе звезд. Наконец, все пространствозаполнено нейтринным газом, оставшимся от ранних этапов развития Вселенной.

К частицам — переносчикамвзаимодействий относятся: глюоны, фотоны и массивные промежуточные бозоны.

Взаимодействия элементарных частицпредставляются как своеобразная игра в мячики: перебросом глюонамиосуществляется связь между кварками, обмен фотонами происходит в актахвзаимодействия электрически заряженных частиц, массивные промежуточные бозоныответственны за медленные распады частиц и за чрезвычайно слабое взаимодействиевсех типов нейтрино с веществом.

Фотон — квант электромагнитного поля,элементарная частица с нулевой массой покоя и спином, равным единице. Массапокоя, равная нулю, означает, что фотон невозможно ни остановить, ни замедлить.Независимо от своей энергии он обречен двигаться с фундаментальной скоростью c.

Фотон — наиболее распространенная извсех элементарных частиц. Он встречается и в потоках видимого света, и врентгеновском излучении, и в виде радиоволн, и в лазерных импульсах.

В 1964 г. американские радиоастрономыА.Пензиас и Р.Вильсон обнаружили, что мировое пространство заполненомиллиметровыми радиоволнами, которые можно рассматривать как холодный фотонныйгаз при температуре 2,7 K. По современным представлениям, это излучение (его называютреликтовым) возникло на ранних стадиях развития Вселенной. Средняя плотностьреликтовых фотонов составляет около 500 в 1 см3. Интересно, что плотностьпротонов во Вселенной в среднем не более одного на 1 м3. Таким образом, воВселенной фотоны встречаются в миллиард раз чаще, чем протоны.

Античастицы. К настоящему времениэкспериментально обнаружены античастицы почти всех элементарных частиц. Частицаи соответствующая античастица имеют одинаковые времена жизни, одинаковые массы,их электрические заряды равны, но противоположны по знаку. Самым характернымсвойством пары частица-античастица является способность аннигилировать(самоуничтожаться) при встрече с превращением в частицы другого рода.

Античастицы могут собираться вантивещество. Так в Серпухове на ускорителе получен антигелий-3, у которогоядро состоит из двух антипротонов и одного антинейтрона и окружено оболочкой изпары позитронов.

Частицы и соответствующие имантичастицы одинаково взаимодействуют с полем тяготения; это указывает наотсутствие “антигравитации”.

Несмотря на микроскопическуюсимметрию между частицами и античастицами, во Вселенной до сих пор необнаружены области со сколько-нибудь заметным содержанием антивещества.Свидетельством присутствия антивещества во Вселенной было бы мощноеаннигиляционное излучение, приходящее из областей соприкосновения вещества сантивеществом. Ведь аннигиляция только 1 г вещества и антивещества приводит квыделению /> Дж энергии, чтоэквивалентно взрыву средней атомной бомбы в 10 килотонн.

Вселенная в основном состоит изобычного вещества. Но так было не всегда. На ранней стадии развития Вселеннойпри очень больших температурах /> количество частиц иантичастиц совпадало: на большое количество антипротонов (примерно на каждыенесколько миллиардов) приходилось столько же протонов и еще один “лишний”протон. В дальнейшем при остывании Вселенной все частица и античастицы проаннигилировали,породив в конечном итоге фотоны, а из ничтожного избытка частиц возникло все,что нас теперь окружает.

Идея о возникновении во Вселеннойасимметрии между частицами и античастицами впервые была высказанаА.Д.Сахаровым.

Ядра. Атомные ядра представляют собойсвязанные системы протонов и нейтронов (нуклонов). Массы ядер всегда несколькоменьше суммы масс свободных нуклонов, составляющих ядро. Это релятивистскийэффект, определяющий энергию связи ядра.

В отличие от массы электрическиезаряды ядер строго равны сумме зарядов, входящих в ядро протонов. Известны ядрас зарядом от 1e до 107e и с числом нуклонов от 1 до примерно 260. Особенноустойчивыми ядрами являются ядра с числами протонов или нейтронов 2, 8, 20, 28,50, 82, 126, получившими название магических.

Плотность массы ядер /> Радиусыядер от /> (ядро гелия) до /> (ядроурана). Периоды полураспадов изменяются в пределах от /> лет до/> с.

Физический вакуум какреальность

Физика микромира описываетсяквантовой механикой и теорией относительности, и эти две теории не допускаютсуществования пустоты. Если откачивать воздух из замкнутого сосуда, то в принципеможно удалить все вещество, но при этом все-таки не получится классическойпустоты.

Что же останется в “пустом” сосуде? Ввакууме имеются квантовые флуктуации полей и виртуально рождаются частицы.

Вакуум — это состояние с наименьшейэнергией при отсутствии вещества. Но отсутствие вещества еще не означаетотсутствия частиц. Как известно, число частиц не сохраняется в реакциях.Сохраняются энергия, электрический, барионный и лептонный заряды, но числочастиц может меняться.

Если приложить достаточно энергии, извакуума можно рождать частицы. Дело в том, что энергия может переходить в поле,а поле — в частицы.

Ну а если не прикладывать энергии ирассматривать свойства чистого вакуума? Казалось бы, эти свойства никак несвязаны со свойствами частиц, рождающихся из вакуума в присутствии источниковэнергии. Так было бы в классической механике, но в квантовой механике это нетак. Известное соотношение неопределенностей приводит к тому, что на короткоевремя любая система может перейти в состояние, отличающее на дельта E поэнергии.

Такие переходы называютсявиртуальными. Так как по теории относительности энергия может переходить вмассу, то виртуальные переходы соответствуют рождению частиц на короткое время.Например для протона это время равно около /> с.

В атомной физике эффекты, вызываемыевиртуальными частицами, довольно незначительны. Однако чем более мелкие частицырассматриваются, тем большую роль играет окружающий их вакуум со своимивиртуальными частицами. Например, в ядерном веществе протоны имеют меньшуюмассу, чем в вакууме, где к этой массе добавляется масса “налипших” виртуальныхпи-мезонов.

На уровне кварков свойства вакуумауже играют решающую роль. Невозможность существования свободных кварков, повсей вероятности, связана именно с колоссальными изменениями, которые одиночныйкварк вызывает в вакууме.

На свехмалых расстояниях свойствавакуума еще более загадочны. Неожиданно возникает связь квантовых эффектов сгравитационными. Сверхтяжелые виртуальные частицы создают вокруг себя заметноегравитационное поле, которое начинает искажать геометрию пространства. Но покаеще невозможно представить себе какие бы то ни было эксперименты при оченьбольших энергиях и в столь малых масштабах пространства.

Макромир

При определенных условиях однотипныеатомы или молекулы могут собираться в огромные совокупности — макроскопическиетела (вещество). Простое вещество является атомарным, сложное — молекулярным.

При достаточно низких температурахвсе тела являются кристаллическими. В кристаллах взаимное расположение атомовявляется правильным. Для них характерно равновесное положение в узлахкристаллической решетки. Их движение сводится к колебаниям вблизи этих узлов.

Геометрия кристаллического состоянияотличается необычайным разнообразием, но число типов решеток ограничено.Свойства веществ определяются не только характером атомов, но и их взаимнымрасположением (графит и алмаз). Тела могут сильно различаться в отношениимеханических, тепловых, электрических, магнитных и оптических свойств.

Подавляющее большинство твердых телимеет кристаллическое строение. Даже глина состоит из маленьких кристалликов.Свойства твердого тела зависят от строения кристаллического зерна, размеракристалликов, их взаимного расположения и силы, сцепляющей их в единое тело.

Общий порядок в расположениикристаллических зерен называется текстурой. Наличие текстуры очень сильновлияет на механические свойства изделия.

Аморфные твердые телапротивопоставляются кристаллам и по некоторым свойствам они скорее должны бытьпричислены к жидкостям, нежели к твердым телам. Аморфное тело типа стекласодержит признаки как твердого, так и жидкого тела: расположение атомовобладает лишь ближним порядком, но атом в своем движении остается в неизменномокружении — соседи не обмениваются местами.

К аморфным телам относится большоечисло органических веществ, например, пластмассы, органические стекла.

“Жидкие кристаллы” или жидкое твердоетело — к этому обширному классу веществ относятся многие органические ибиоорганические вещества. Такое состояние наблюдается в определенном интервалетемператур. Если нагреть жидкий кристалл, он превратится в обычную жидкость,если охладить — станет кристаллом.

Эти вещества сочетают в себе свойстважидкости и кристалла. Обнаружены два типа жидких кристаллов: в первомрасположение молекул обладает ближним порядком, однако все молекулырасполагаются параллельно друг другу; во втором — молекулы располагаютсяслоями.

Мыло, растворенное в воде, образуетжидкие кристаллы, с чем связаны его моющие свойства. Мыльный раствор состоит избольшого числа двойных слоев молекул.

При повышении температуры происходитфазовый переход кристалл-жидкость (плавление). Каждое вещество имеет своюстрого определенную температуру плавления.

В жидком состоянии атомы уже неявляются строго локализованными. Тепловое движение в жидкостях носит довольносложный характер.

Молекулы жидкости совершают восновном колебательные движения, положения равновесия не строго фиксированы, номолекула остается в окружении все тех же соседей. Легкость, с которой молекуламожет менять своих соседей, связана с вязкостью.

При переходе жидкости в пар(испарение) при атмосферном давлении вещество практически полностью теряет своюиндивидуальность. Это связано с малой плотностью газообразного вещества. Вразреженных газах по существу отсутствует взаимное влияние атомов, а значит, непроявляется их индивидуальная атомная структура. Газы всех веществ (принормальных условиях) с хорошей точностью подчиняются одинаковымзакономерностям.

Дальнейшее повышение температуры /> ведет кионизации атомов, т.е. распаду их на ионы и свободные электроны. Такоесостояние вещества называют плазменным.

Поскольку ионы и электроны в отличиеот атомов несут не скомпенсированные электрические заряды, их взаимное влияниестановится существенным. Плазма в противовес газам может проявлять коллективныесвойства, что сближает ее с конденсированным состоянием, т.е. с твердыми теламии жидкостями.

Макротела астрономического масштаба — планеты. Масса Земли приблизительно /> г, радиус — 6400км, средняя плотность 5,5 г/см3. В недрах планет вещество находитсяпод высоким давлением. При сжатии вещества проявляется тенденция “сглаживания”его свойств. Наружные электронные оболочки атомов, ответственные за“индивидуальность”, при давлениях /> атм перестают существовать,ибо входящие в их состав электроны отрываются от атомов и становятсяколлективными.

Земля — планета жидкая. Этоутверждение звучит парадоксально, поскольку течения вещества Земли почтинезаметны для нас. Они, однако, существуют, их скорость составляет несколько смв год. В результате за 0,5 млрд. лет земная поверхность меняется оченьсущественно.

По настоящему твердой является толькотонкая (20-40 км) оболочка -кора Земли. Вещество на глубинах от 40 до 400 кмспособно течь под влиянием высоких температур и давлений.

Мантией называют весь слой глубинойот 40 до 2920 км, где температура недр повышается примерно до 4,5 тыс.градусов. Ниже мантии вещество находится в расплавленном состоянии. Это жидкоеядро Земли радиусом 3450 км. Наконец, в самом центре Земли есть еще внутреннеетвердое ядро радиусом 1250 км, состоящее из вещества с плотностью около 13 г/см3.

Кора Земли, называемая литосферой,состоит из отдельных плит, медленно перемещающихся друг относительно друга.Новая земная кора образуется в районах срединно-океанических хребтов, а стараякора, покрытая трехкилометровым слоем осадков, исчезает, ныряя под континенты.

Взаимные перемещения плит, рождение иразрушение твердой коры Земли сопровождаются землетрясениями. Когдапогружающаяся литосферная плита попадает в зону высоких температур, происходятхимические реакции, преобразующие ее осадочный слой. При этом образуются газы иводяные пары, которые вулканами извергаются в атмосферу, и возможно, чтоорганическое вещество осадков частично переходит в нефть.

Именно вулканическая деятельностьпривела к появлению первичной атмосферы Земли, а вода, образовавшаяся придифференциации вещества мантии, составила Мировой океан.

Мегамир Звезды.Галактики. Вселенная

Солнце: масса />г, радиус />км,средняя плотность />, находится от Земли нарасстоянии около /> см, которое светпроходит за 499 с — это расстояние называют астрономической единицей а.е. Самаядалекая от Солнца планета Плутон находится от него на расстоянии около 39,75а.е.

Центральные области Солнца имеюттемпературу около />K и давление около /> атм. Вэтих условиях вещество является полностью ионизованной плазмой: голые ядра исвободные электроны. При этом становятся возможными термоядерные реакции(слияние ядер водорода и превращение их в ядра гелия), которые служатисточником энергии звезд. Масса Солнца 1030 кг.

Галактики — это звездные системы.Число звезд в них порядка />. Наша Галактика состоитприблизительно из /> звезд. Со стороны онапредставляет собой диск, утолщающийся к центру. Это диск имеет спиральнуюструктуру и вращается с переменной угловой скоростью, большей в центральныхобластях диска, меньшей на его периферии.

Расстояния в галактиках измеряются впарсеках. Парсек (пс) около /> см, или 3,2 светового года= 206265 а.е.

Толщина Галактики вблизи Солнца 2000пс. Диаметр ее диска 30 000 пс. Солнце вместе с его планетной системойнаходится вблизи края Галактики, приблизительно в 10 000 пс от ее центра.

Кроме звезд в Галактике имеются идругие виды материи (пыль, межзвездный газ, космические лучи. Масса Галактикиоколо />кг.

По данным спутника “Прогноз-9”, нашаГалактика мчится в направлении созвездий Девы и Льва со скоростью более 500км/с.

Поскольку размеры звезд невообразимомалы по сравнению с галактическими масштабами, то Галактику можно рассматриватькак очень разреженный газ, в котором роль молекул играют звезды. Это газнастолько разрежен, что столкновения между его “молекулами” не происходят.Естественно, он не ограничен (?) стенками какого-либо сосуда. Почему же он неразлетается? Ответ заключается в том, что вся эта система держится силамисобственного тяготения.

Средняя плотность материи в Галактикеоколо />.Средняя концентрация атомов равна 3 атомам на 1 см3. Сравним: внормальных условиях в 1 см3 газа содержится 2,6x1019молекул.

Известная нам часть Вселеннойсодержит около 1011 галактик. Мир галактик во Вселенной довольноразнообразен. Таких галактик, как наша (спиральных), приблизительно 80%.Встречаются неправильные галактики, имеющие достаточно произвольныегеометрические очертания, и эллиптические, близкие по форме к эллипсоидамразличной вытянутости.

Число звезд различно: карликовыегалактики имеют приблизительно />звезд, гигантские — до /> звезд.Большинство галактик подобно нашей имеет /> звезд.

Одиночные галактики встречаютсяредко. Подавляющее большинство их образует скопления, насчитывающие сотни итысячи членов. Скопления не рассыпаются на отдельные галактики благодаря силамсобственного тяготения. Как говорят, они являются гравитационно связаннымиобъектами.

Размеры скоплений галактикисчисляются мегапарсеками (Мпс), т.е. миллионами парсек.

Скопления галактик, в свою очередь,образуют сверхскопления, содержащие десятки членов. Может быть такой процессбудет продолжаться без конца? Оказывается, нет. Согласно данным современныхастрономических наблюдений, сверхскопления являются наиболее крупнымиструктурными образованиями в Метагалактике — наблюдаемой части Вселенной.

Галактики, их скопления и свехскопления- это элементы ячеистой структуры Вселенной. Размеры ячеек — сотни мегапарсек,толщина их стенок порядка 2-4 Мпс. Крупные скопления располагаются в узлахячеек. Сверхскопления представляют собой элементы этой ячеистой структуры.

В масштабах, превышающих тысячимегапарсек, Вселенная бесструктурна. Более того, можно утверждать, что в такихмасштабах она вообще однородна и изотропна, т.е. ее свойства везде одинаковы.

Всегда ли распределение материи воВселенной было и будет таким, как сейчас? Ответ отрицателен, потому чтоВселенная эволюционирует.

Вариационные принципы

Всякая наука стремится свести кминимуму число принципов или законов, лежащих в ее основе. Значениевариационных принципов заключается в том, что каждый из них заменяет несколькочастных законов. Например, принцип Ферма эквивалентен отражения и преломлениясвета, принцип наименьшего действия — законам механики.

Открытие вариационных принципов имеетмноговековую историю. Герон Александрийский (I в.) сформулировал следующийоптический постулат: ”Скажу, что из всех лучей, падающих из данной точки иотражающихся в данную точку, минимальны те, которые отражаются под равнымиуглами”. (Для сферических зеркал постулат Герона не всегда верен).

В XYII веке знаменитый французскийматематик П.Ферма сформулировал принцип, представляющий обобщение утвержденияГерона: ”свет всегда идет по пути, требующему для своего прохожденияминимального времени”.

Вариационные принципы механики ведутначало своей истории с конца XVII в.(И. Бернулли) и первой половины XVIII в. — французский ученый П.Мопертюи выдвинул вариационный принцип механики — принципнаименьшего действия. Согласно этому принципу, “путь, которого светпридерживается, является путем, для которого количество действия будетнаименьшим”. Под действием Мопертюи понимал произведение скорости на длинупути.

Л.Эйлер, Ж.Лагранж и У.Гамильтонпридали понятию действия содержание, используемое и сейчас. Произведениескорости на длину пути можно преобразовать в произведение квадрата скорости навремя, заменив путь произведением скорости на время. Если ввести еще постоянныймножитель, равный массе тела, деленной на 2, то получим произведениекинетической энергии на время, что и стало определением действия при отсутствиисил. При наличии сил действие равно среднему значению разности междукинетической и потенциальной энергией, умноженному на время движения. Былсоздан специальный математический аппарат для решения задач, связанных сприменением принципа Ферма, или принципа наименьшего действия. Этот аппаратполучил название вариационного исчисления, а соответствующие принципы сталиназываться вариационными принципами.

Понятие действия приобрело в физикеособое значение после введения в 1900 г. немецким физиком М.Планком,основателем квантовой физики, кванта действия, равного фундаментальнойпостоянной h.

Сопоставление принципов Ферма иМопертюи натолкнуло французского ученого Л. де Бройля в 1920-х гг. на идею оналичии у частиц вещества волновых свойств, что вскоре было подтверждено наопыте.

Э.Шредингер провел глубокий анализвариационных принципов оптики и механики и ввел уравнение, носящее его имя.

Значение вариационных принциповзаключается в том, что, зная действие и пользуясь этими принципами, можновывести уравнение движения для любой системы.

Принцип дополнительности

Развитие ньютоновской теорииспособствовало становлению детерминистского взгляда на природу. Согласно этомумировоззрению, можно определить положения и скорости всех тел в замкнутойсистеме в какой-то момент времени, и если известны все силы взаимодействиямежду телами, то можно полностью рассчитать поведение системы в будущем. Инымисловами, будущее системы предопределено.

На практике провести такой расчетневозможно. Даже если положение только одного тела в системе определено смалейшей неточностью, в результате взаимодействия этого тела с другиминеточность будет расти постепенно по величине, так что по прошествии достаточнодлительного времени поведение системы будет существенно отличаться отпредсказываемого законами Ньютона.

Однако кроме этой практическойтрудности, существует еще и другое, принципиальное ограничение, обусловленноеквантовой теорией и принципом неопределенности. При этом физикам приходитсяиметь дело с вероятностями.

В 1927 г. В.Гейзенберг, анализируявозможность измерения координаты и импульса электрона, пришел к заключению, чтоусловия, благоприятные для измерения положения, затрудняют нахождение импульса,и наоборот -эти два понятия дополнительны друг другу.

Соотношение DpxxDx>=hназывают соотношением неопределенностей. Иными словами, координата и скоростьчастицы не могут иметь одновременно строго определенных значений. Указанноеобстоятельство ведет к тому, что если в некоторый момент времени известнакоордината электрона, то уже в следующий как угодно близкий момент времени егокоордината становится совершенно неопределенной. Мы вынуждены говорить лишь овероятности нахождения электрона в той или иной точке пространства. Понятиетраектории электрона в этих условиях полностью теряет смысл.

Соотношение неопределенностей имеетвесьма общее значение и применимо не только к электронам, но и к другиммикрообъектам.

Еще одним примером соотношениянеопределенностей является связь между неопределенностями в энергии и времени.

Дополнительными являются угловоеположение вращающегося тела и его момент количества движения.

Соотношение неопределенностей — частный случай и конкретное выражение общего принципа дополнительности,сформулированного Н.Бором в 1927 (28) году: если в каком-либо эксперименте мыможем наблюдать одну сторону физического явления, то одновременно мы лишенывозможности наблюдать дополнительную к первой сторону явления.

Принцип дополнительности Бор применялво многих областях. Так, например, физическая картина явления и егоматематическое описание дополнительны. Создание физической картины требуетпренебрежения деталями и уводит от математической точности, а попытка точногоматематического описания затрудняет его ясное понимание.

Квантовая механика не даетоднозначного ответа на некоторые вопросы, а лишь предсказывает вероятность тогоили иного результата.

Принципиальная неопределенностьнекоторых величин есть следствие применения классических понятий к описаниюнеклассических объектов.

Принципы симметрии изаконы сохранения

Обычно под термином “симметрия”понимают либо зеркальную симметрию (левое — правое), либо центральную.

В физике под этим термином понимаютнеизменность не только предметов, но и физических явлений, и не только приотражении, но и вообще при какой-либо операции — при переносе установки изодного места в другое или при изменении момента отсчета времени.

Самая простая симметрия — однородность и изотропность (эквивалентность всех направлений) пространства.Она означает, что любой физический прибор — часы, телевизор, телефон — долженработать одинаково в разных точках пространства, если не изменяются окружающиефизические условия. То же самое относится и к повороту прибора, если отвлечьсяот силы тяжести, которая выделяет на поверхности Земли вертикальноенаправление.

Физические законы должны бытьинвариантны (неизменны) относительно перемещений и поворотов.

Еще одна важная симметрия — однородность времени. Все физические процессы протекают одинаково, когда бы онини начались.

Законы природы не изменяются и отзамены направления течения времени на обратное (разбивающееся яйцо! и молекулыв малом объеме газа).

Симметрия, связанная с изменениемнаправления течения времени, приближенная: ее нарушение наблюдается в слабыхраспадах некоторых элементарных частиц — нейтральных К-мезонов.

Зеркальная симметрия (волчок, закрученныйнаправо, ведет себя так же, как волчок, закрученный налево) явлений природынеточная, как и большинство других симметрий. В слабых взаимодействиях,ответственных за радиоактивный распад, она нарушается.

Из определенных принципов симметриивыводятся некоторые из законов сохранения.

Прямым следствием симметрииотносительно переноса в пространстве является закон сохранения импульса(количества движения).

Импульсом, или количеством движениятела, называют произведение его массы на вектор скорости: p = mv. Для замкнутойсистемы величина полного импульса P сохраняется. Закон сохранения импульсасвязан с фундаментальным свойством пространства — однородностью, т.е.равноправием всех точек пространства.

Прямым следствием симметрииотносительно вращения является закон сохранения момента импульса.

Прямым следствием симметрииотносительно переноса во времени является закон сохранения энергии.

Закон сохранения энергии был точнопроверен не только для перехода механической энергии в тепловую, но и дляперехода в химическую и электромагнитную, а также для перехода электрическойили химической в тепловую.

Закон сохранения энергии являетсястрогим следствием равномерности хода времени. Ход времени определяетсяотносительной скоростью протекания различных процессов в природе. Любоеизмерение интервала времени означает сравнение ритмов разных процессов.Равномерность хода времени означает, что всегда относительная скоростьпротекания всех процессов в природе одинакова. Равномерность хода времениустановлена на примере излучения атомов. Атомы на звезде излучают свет такой жедлины волны, как и атомы сегодняшнего дня, даже если свет был излучен миллиардлет тому назад.

Закон сохранения вещества (массы)после того, как была установлена связь массы с энергией, превратился в законсохранения энергии.

Важнейшее следствие симметрии состоитв том, что каждой симметрии, как внутренней, так и пространственной,соответствует свой закон сохранения.

Существует еще один закон сохранения:полное число тяжелых частиц (протонов и нейтронов) остается неизменным вприроде.

Литература

1. Адлер С.Л.А.Д.Сахаров и индуцированная гравитация/ Природа,1990,8

2. Барабаш А.С.Двойной b-распад и его поиски/ Природа, 1995, 2

3. Бергстром Л.,Рубинштейн Г. AMANDA на Южном полюсе: антарктические нейтрино/ Природа, 1996,11

4. Бисноватый-КоганГ.С. Пульсары — новые открытия и проблемы/ Природа, 1995, 2

5. Бисноватый-КоганГ.С. Порядок и беспорядок в астрофизике. Природа,

6. 1996, 6

7. Варшалович Д.А.,Потехин А.Ю. Спектроскопия квазаров и космология/Природа, 1995, 4

8. Гордеев В.А.,Кутень С.А. Круглый ли атом водорода?/ Природа,1990,3

9. Горелик Г.Е. Осохранности законов сохранения/ Природа, 1992, 7

10. Далькаров О.Д.,Воронин А.Ю. Исследование антиматерии — реальность и перспективы. Природа, 1994,12

11. Комар А.А.Нейтрино с массой 17 кэВ?/ Природа, 1991, 8

12. Комар А.А.Зарницы суперсимметрии/ Природа, 1992, 5

13. Комар А.А. ПроектAMANDA/ Природа, 1996, 11

14. Кулакова Н.В.Уточняется постоянная Хаббла/ Природа, 1995, 10

15. Мирабель И.Ф.“Великий аннигилятор” в центральной области галактики. Природа, 1993, 6

16. Морозов А.Ю.Теория струн и фундаментальные взаимодействия/ Природа, 1990, 1

17. Печерникова Г.В.Проблема образования дальних планет/ Природа, 1992, 9

18. Рубченя В.А.,Явшиц С.Г. Тройное деление тяжелых ядер/ Природа, 1991,5

19. Сахаров А.Д.Симметрия Вселенной/ Природа, 1990, 8

20. Смирнов А.Ю.Резонансные переходы нейтрино в веществе/ Природа, 1991,6

21. Сонин А.С.Грустная судьба великого открытия (о Фридмане). Природа,

22. 1993, 5

23. Судьбакосмогонических идей О.Ю.Шмидта/ Природа, 1991, 9

24. Цыган А.И.Электрические поля нейтронных звезд. Природа, 1994, 8

Тема1.4. От физики существующего к физике возникающегоСовременная физическаякартина мира

Картина мира, которую началисоздавать Галилей и Ньютон, а завершали Фарадей, Максвелл и Эйнштейн, отражалафилософские воззрения, которые брали начало еще от древних: природа не делаетскачков. Эти представления основывались на непрерывности процессов.

Это мнение изменила квантовая теория,согласно которой вещество при излучении испускает энергию конечными порциями — квантами. Энергия кванта равна произведению постоянной Планка на частотуизлучения.

Луи де Бройль писал: ”День, когдабыла введена постоянная Планка, остается одной из замечательных дат в историичеловеческой мысли”.

С постоянной Планка вошло в наукупредставление о дискретности энергии в микромире; постоянная Планка оказаласьсвязанной с понятием о строении атома.

Каково строение атома? Известно, чтона основе экспериментальных данных Резерфордом была создана планетарная модельатома. Это была последняя наглядная его модель. Предложенная Резерфордом модельбыла катастрофой для классической физики.

Согласно представлениямэлектродинамики Максвелла, движущийся вокруг ядра электрон должен излучатьэнергию и поэтому очень быстро упасть на ядро. Получалось, что с признаниеммодели атома Резерфорда следует пересмотреть классическую электродинамику,которая уже стала основой электромагнитной картины мира. Резерфорд понимал, что“его” атом обречен.

Но в 1913 году Резерфорду пришелпакет от молодого Нильса Бора с наброском его первой работы по квантовой теориистроения атома. В этой статье Бор писал:”… существование мира постояннодоказывает, что атом — устойчивая система. Значит, электроны, вращаясь вокругядра, вопреки

Максвеллу-Лоренцу, не излучаютнепрерывно. Так, если это не происходит и они, обессиленные не падают на ядро,не проще ли предположить, что в атоме есть пути, на которых электроны нерастрачивают энергию: стационарные орбиты! Только покидая такую орбиту,электрон начинает излучать...” По существу в этих словах выражено содержаниезнаменитых постулатов Бора, от которых и началась квантовая механика — новаяфизика.

Бор считал, что электрон, как имикрочастица в классической физике, движется по определенному пути. Эти пути — стационарные орбиты — Бор определял при помощи главных квантовых чисел. Атомможет излучать энергию только тогда, когда электрон перескакивает с однойорбиты на другую, причем эта энергия излучается в виде кванта.

Теория строения атома, созданнаяРезерфордом и Бором, позволила объяснить многие факты, но возникло так многоновых вопросов, на которые, как казалось физикам, невозможно было ответить.Эйнштейн писал: ”Это было так, точно из-под ног ушла земля и нигде не быловидно твердой почвы, на которой можно было строить...”

Ответ физики нашли, но для этогопришлось отказаться от прежних представлений о микропроцессах. В механической иэлектромагнитной картинах мира микрочастицы представлялись неизменными, ихскорость, координату, энергию можно было определить абсолютно точно в любойзаданный момент времени. В современной картине мира совершенно другой взгляд ина сами микрочастицы, и на их поведение.

Французский физик Луи де Бройль в1924 г. предложил рассматривать дискретные состояния электрона в атоме какволновые явления. Это давало возможность объяснить, почему электрон при своемдвижении вокруг ядра не излучает энергию (стоячая волна не излучает и непоглощает энергию). Вскоре была открыта дифракция электронов, что подтвердилоналичие у них волновых свойств.

Математическое обоснование волновоймодели атома дал австрийский физик Эрвин Шредингер. Решение составленного имдля описания движения микрочастиц уравнения дает значения величины, известной вфизике под названием пси-функции или волновой функции. Эта функция описываетдвижение электрона. Это движение не подчиняется законам механики Ньютона: еслибы мы создали двум электронам абсолютно одинаковые начальные условия, тодальнейшее их движение могло бы быть совершенно различным, чего законы механикине допускают.

Поведение элементарных частицвероятностное. Обусловлено это тем, что элементарным частицам присущи свойствакорпускулы и волны. Для них невозможно с абсолютной точностью одновременноопределить координату и импульс, изменение энергии и интервал времени, напротяжении которого происходит это изменение. Соотношения, которые даютвозможность увидеть, как связаны между собой неопределенности при определениикоординаты и импульса, энергии и времени жизни микрообъекта введены в 1927 г.В.Гейзенбергом.

Оказалось, что не толькомакроскопические законы, определяющие массовый результат поведения микрочастиц,носят статистический характер, но и законы, определяющие поведение частиц вкаждый момент времени и в каждой точке, являются статистическими.

Борьба идей дискретности инепрерывности материи завершилась слиянием обеих идей в представлении освойствах элементарных частиц.

В механической и электромагнитнойкартинах мира элементарным понятием было движение себетождественной частицы. ВМКМ такой частицей был атом, в ЭКМ на роль “абсолютных атомов” (неделимых инеизменных частиц, из которых состоит все сущее) претендовали электрон ипротон.

Но открытие нейтрона в 1932 годупривело к выводу, что в ядре атомов нет электронов и, значит, они образуются врезультате распада нейтрона. Позитроны, открытые в космических лучах, даливозможность наблюдать такие удивительные процессы, как превращениеэлектрон-позитронной пары в фотоны или, наоборот, превращение фотона большойэнергии в электрон-позитронную пару.

Эксперименты в области физики высокихэнергий изменили представление о мире… Начиная с Демокрита, атомистыобъясняли бесконечное разнообразие вещей соединением и разъединением их частей,в этих процессах конечными и неделимыми частицами представлялись атомы. В ихвечности и сохранении их числа усматривались доказательства вечности мира.

А в чем же мы видим опору дляпонимания несотворимости и неуничтожимости мира? Можем ли мы элементарныечастицы считать “конечными частицами” материи аналогично тому, как атомистыпредставляли вечные и неделимые атомы?

Чтобы ответить на этот вопрос,подумаем, чем отличается понятие делимости в классической и современной физике.

Представим себе мысленныйэксперимент, в котором моделью “конечной частицы” материи служит тарелка.Возьмем две тарелки и ударим одну о другую. С точки зрения классической физикивозможны два случая:

1) тарелки останутся целыми, и тогдаони “неделимы”; 2) тарелки разлетятся на кусочки, сложим их — форма тарелоквосстановится; масса кусочков равна массе исходной тарелки. Тарелка делима.

Если бы набор посуды имел свойстваэлементарных частиц, мы наблюдали бы нечто совершенно иное.

Представим себе, что мы ударяем однутарелку о другую. И ничего не происходит. Ударяем их с большей силой, и вотрезультат: у нас в руках оказываются две тарелки и одна чашка!

Можно ли их считать осколками двухтарелок? Конечно, нет… Эти образовавшиеся “элементарные частицы” имеют такжестатус элементарных частиц, как и исходные. Интересно, что масса образовавшихсячастиц не обязательно равна массе исходных: она может быть как больше их массы,так и меньше, в зависимости от условий, в которых происходило взаимодействие.

Элементарные частицы — это более илименее стабильные образования материи, которые не делятся на осколки. Основноесвойство ЭЧ — взаимопревращаемость. Мы не называем их “конечными частицами”материи и не пытаемся найти “конечные частицы”. Чем глубже мы продвигаемся внаправлении увеличения концентрации энергии, тем дальше от нас отодвигаетсямираж конечных сущностей, “исходных кирпичиков мироздания”.

В современной картине мира ЭЧ — этопростейший элемент данного поля, или просто “квант данного поля”. Полясовременной физики можно сравнить со стихиями в картине мира древнихмыслителей. Если они считали фундаментальными сущностями четыре стихии (землю,воду, воздух, огонь), то современная физика пытается раскрыть все содержаниереального мира через проявление четырех видов взаимодействий.

Сильное взаимодействие обеспечиваетсвязь нуклонов в атомных ядрах. Электромагнитное взаимодействие связываетэлектроны в атомах и атомы в молекулах.

Слабому взаимодействию подвержены всеэлементарные частицы, кроме фотона. Оно ответственно за распады некоторыхчастиц и за процессы с участием нейтрино.

Гравитационное взаимодействиедействует между всеми материальными объектами.

Свести все разнообразные силы кединой основе, к чему стремилось человеческое знание на протяжении всегоразвития науки, современной физике пока не удалось.

Креативная рольфизического вакуума

Произнося слово “вакуум”, мы обычнопредставляем себе чрезвычайно разреженную среду, которую либо исследуют вспециальных лабораториях, либо наблюдают в космическом пространстве. Однаковакуум это не пустота, а нечто совершенно иное: особое, ненаблюдаемое вповседневной жизни состояние материи, называемое физическим вакуумом.

Обычных (реальных) частиц в пустомобъеме, конечно, нет, но квантовая теория предсказывает существование множествадругих частиц, называемых виртуальными. Такие частицы способны при определенныхусловиях превращаться в реальные.

Время жизни для частиц с массой meоколо />с.Эта величина очень мала и говорит они не столько о “жизни”, сколько ократковременном всплеске жизни весьма странных частиц и связанных с ними полей.

Итак, море ненаблюдаемых частиц,готовых при определенных условиях превратиться в обычное.

Состояние физического вакуума можноохарактеризовать наименьшим значением энергии таких квантовых полей, какскалярное поле, которое должно существовать в вакууме. Этому полю ставится всоответствие гипотетическая частица хиггс (по имени ученого Хиггса, еепредложившего), которая является примером сверхтяжелого бозона, масса которого,возможно, в /> раз больше массы протона).Такие частицы могут рождаться при температуре /> K. Существуют проектыогромных ускорителей, где, наблюдая взаимодействие частиц, ученые надеютсяподтвердить реальность существования хиггсов.

Один из проектов американскиеинженеры и физики планируют осуществить в конце века. Это будет очень мощныйускоритель на встречных пучках, причем для уменьшения потребляемой энергии вкольцевой установке с длиной окружности 84 км будут использованысверхпроводящие магниты. Будущий ускоритель назван сверхпроводящимсуперколлайдером SSC.

Одно из удивительных свойствфизического вакуума связано с тем, что он создает отрицательное давление и,стало быть, сможет оказаться источником сил отталкивания в природе. Этосвойство играет исключительно важную роль в сценарии “раздувающейся Вселенной”.

Этапы эволюции горячейВселенной, неоднозначность сценария и антропный принцип

Космология — раздел (?) астрофизики,изучающий строение и эволюцию Вселенной в целом. Современная космологиявозникла в начале XX века. Данные астрофизических наблюдений показывают, чтокрупнейшими структурными единицами Вселенной являются большие скопления исверхскопления галактик. Их размеры достигают десятков миллионов парсек. В ещебольших масштабах (сотни мегапарсек) вещество во Вселенной распределенооднородно.

Эйнштейн построил на основе своейтеории космологическую модель статичной Вселенной. Исходной гипотезой былопредположение о том, что Вселенная однородна и изотропна.

В 1922 г. А.А.Фридман доказал, чтостатичный мир Эйнштейна всего лишь частный случай решения уравнений ОТО. Вобщем же случае эти уравнения приводят не к статичным моделям, а к моделям,зависящим от времени. Однородная и изотропная Вселенная должнаэволюционировать, т.е. непрерывно изменяться со временем.

В конце 20-х гг. Э.Хаббл установил,что галактики удаляются друг от друга. Это означает, что Вселенная расширяется.

Судьба Метагалактики зависит отсредней плотности вещества. Средняя плотность определена как /> тогдакак критическое значение плотности равно />. Однако вполне возможно,что в галактиках существует скрытая масса вещества и действительное значениесредней плотности выше критической. Кроме того, если масса покоя нейтрино неравна нулю, как это доказывают физики во главе с В.А.Любимовым, то во Вселенноймогут существовать огромные нейтринные запасы: общая масса нейтрино может в 30раз превысить массу обычного вещества (на один протон приходится почти миллиарднейтрино, а их общая масса в 30 раз больше массы одного протона).

Будет ли расширение Вселеннойнеограниченно продолжаться в будущем? Расширение тормозится силами тяготения.Тяготение определяется средней плотностью вещества во Вселенной. Критическоезначение плотности, при котором расширение в будущем сменится сжатием, равно />. Средняяплотность по данным наблюдений ниже критической раз в десять. Следовательно,Вселенная должна расширяться все время.

Однако во Вселенной возможно имеетсямного невидимого вещества и средняя плотность может быть близка критической.

Поскольку наблюдения показывают, чтогалактики удаляются друг от друга, значит, в прошлом они были расположенытеснее, а еще ранее не могло быть отдельных галактик и вообще отдельныхнебесных тел. Вещество было распределено почти равномерно, а плотность его былаочень большой. Вселенная начала расширяться /> млрд. лет назад. При этомцентра расширения не было. Все точки во Вселенной равноправны. Что было доначала расширения Вселенной, пока до конца не выяснено, так как при оченьбольших плотностях материи вступают в действие еще не известные нам законыприроды.

В настоящее время большинствоисследователей считают, что в начале расширения Вселенной материя была оченьплотной /> и очень горячей /> - теориягорячей Вселенной. Согласно этой теории Вселенная напоминала гигантскийускоритель “элементарных” частиц. Началом работы этого ускорителя частиц былБольшой Взрыв, следствием которого является наблюдаемый в настоящий моментразлет галактик и их скоплений.

В отличие от обычного взрываастрономический взрыв произошел сразу во всем существовавшем тогдапространстве.

Пока мало что известно о том, чтопроисходило в первую секунду после начала расширения и еще меньше о том, чтобыло до начала расширения. Общая схема последующей эволюции Вселеннойпредставляется следующим образом.

Эра адронов длилась примерно от /> Атомовне было, но существовали нуклоны (протоны и нейтроны), мюоны, электроны инейтрино различных типов (электронные, мюонные, тау-нейтрино), а такжеантичастицы и электромагнитное излучение (фотоны), которое находилось втермодинамическом равновесии с веществом. Число частиц и античастиц вещества вединице объема было равно числу находящихся там же фотонов.

Главным событием адронной эры былпроцесс аннигиляции нуклонов и антинуклонов (адронов). Нуклонов было несколькобольше, чем антинуклонов, поэтому часть вещества осталась в качествестроительного материала для ядер будущих атомов.

Эра лептонов длилась примерно от /> Температурауменьшилась до /> K, а плотность стала равной/> Лептоныаннигилировали: мюон-антимюон, электрон-позитрон с образованием нейтрино. Врезультате, качественно изменился состав плазмы и приобрели самостоятельностьнейтрино, которые с этого момента перестали участвовать во взаимодействиях.После аннигиляции тяжелых частиц их энергия перешла к более легким частицам итратилась на нагрев излучения, а после аннигиляции легких частиц освободившаясяэнергия стала расходоваться в основном на повышение температуры излучения. Вконце лептонной эры произошло образование ядер гелия путем слияния протонов инейтронов, которых стало около 25%, остальная плазма (75%) состояла из ядерводорода.

Эра радиации длилась от t=10 с допримерно 300 000 лет. К концу этой эры плотность стала равной /> атемпература уменьшилась до 3000K. Одно из важнейших событий — отрыв излученияот вещества: присоединение электронов к протонам стало преобладать над отрывомэлектронов от протонов. В результате среда стала прозрачной для излучения.

Эра вещества длится до сих пор. Послеотрыва излучения от вещества наша Вселенная довольно спокойно расширялась, аглавные события, происходившие в ней, были связаны с рождением галактик, звезди планет.

Перед космологией стоят задачиузнать, почему началось расширение Вселенной, что было до этого, какобразовались галактики и многое другое.

А был ли Большой Взрыв? АкадемикЯ.Б.Зельдович (1983):”Теория “Большого Взрыва” в настоящий момент не имеетсколько-нибудь заметных недостатков. Я бы даже сказал, что она столь же надежноустановлена и верна, сколь верно то, что Земля вращается вокруг Солнца”.

На чем основана уверенность всправедливости теории “горячей Вселенной”?

Прежде всего отметим те данные,которые не противоречат этой теории.

Возраст Солнечной системы около 4,6млрд. лет. Возраст самых старых звезд близок возрасту нашей и других галактик — 10-15 млрд. лет. В прошлом далекие внегалактические радиоисточники излучалибольше, чем сейчас. Распространенность химических элементов близка ксоотношению, которое возникло во времена первичного термоядерного синтеза.

Но главным подтверждением теории“горячей Вселенной” считается открытие реликтового излучения. После “отрыва”излучения от вещества и последующего расширения Вселенной температура излученияпадала, но его характер (спектр) сохранился до наших дней, напоминая о далекоймолодости Метагалактики. Вот поэтому астрофизик И.С.Шкловский предложил назватьэто излучение реликтовым. А.Пензиас и Р.Вильсон получили в 1978 годуНобелевскую премию за открытие этого излучения (1965).

Не все ученые согласны с идеейБольшого Взрыва. К их числу относятся такие известные астрофизики, как Х.Альвен(Швеция), Д.Нарликар (Индия) и др.

Дж.Б.Мэрион (1975): Основнаятрудность состоит в том, что в лаборатории нельзя провести контролируемыйкосмологический эксперимент — мы должны полагаться на наблюдения над объектами,которые лежат на фантастических расстояниях от нас и на которые мы никак неможем влиять. Мы не знаем сколько-нибудь точно массу или размеры Вселенной. Мыне знаем, будет ли наблюдаемое расширение Вселенной продолжаться бесконечно. Мыне знаем, существует ли во Вселенной в каких-либо значительных количествахантивещество, существуют ли антигалактики. Мы не знаем природы квазаров,излучающих гигантскую энергию. Мы знаем не слишком много о деталях эволюциизвезд после стадии красного гиганта. Мы не можем понять, почему в космосесуществуют молекулы. Мы не имеем надежной теории космических лучей сверхвысокихэнергий. И, разумеется, мы ничего не знаем о происхождении Вселенной, хотяимеющиеся данные указывают на то, что ее расширение — это результатпроисшедшего около 10 млрд. лет назад чудовищного взрыва, мощь которого даженевозможно себе представить. Но откуда взялось это гигантское количествоизначальной энергии?

Со времен Коперника люди сталипонимать, что наша планета и ее обитатели не занимают какого-либопривилегированного положения в Солнечной системе, Галактике и Метагалактике.Однако мы обитаем в наиболее удобной для этого области Солнечной системы иГалактики, а фундаментальные свойства Вселенной удивительно “подстроены” подтот жесткий набор требований, без которого не могли бы возникнуть ни галактики,ни ни звезды, ни планеты, ни жизнь и разум во Вселенной.

Мы живем в эволюционирующейВселенной. Появление жизни и разума в нашей Вселенной стало возможным наопределенном этапе ее эволюции. Если бы эволюция космический материипроисходила несколько иначе, то не было бы ни наблюдаемой структуры Вселенной,ни нас как наблюдателей.

По существу, в современной космологиипоявился новый взгляд на Вселенную, новый принцип. Согласно известному ранеекосмологическому принципу, Вселенная выглядит почти одинаково из любой точкипространства (идеальный принцип требует, чтобы Вселенная выглядела совершенноодинаково и в любой момент времени). Теперь же к этому принципу добавляетсяновый — его называют антропным принципом. Сформулировать его можно разнымспособом, например: это принцип отбора только тех начальных условий (из всехимеющихся на ранней стадии Вселенной), которые совместимы с существованиемразумной жизни.

Антропный принцип не есть новыйфундаментальный физический закон. Принцип вообще не эквивалентен закону, апредставляет собой один из уровней философского основания науки.

Происхождениегалактик и Солнечной системы

Происхождение галактик и звезд(космогония) связано с возникновением неоднородностей в однородной среде.Крупномасштабные неоднородности с массой в /> солнечных образовалипротоскопления галактик, и они представляли собой массивные облака газа. Такиеоблака приобретали не сферическую форму, а становились похожими на гигантские“блины”.

В разных частях расширяющейсяМетагалактики могли возникать разные “блины” по массе, плотности и температуре.Результатом их эволюции было возникновение или скоплений галактик, илиодиночных галактик. Специалисты надеются обнаружить “блины”, еще не успевшиепревратиться в галактики. Взаимодействуя между собой, “блины” могутобразовывать границы наблюдаемых ячеек крупномасштабной структуры Вселенной.

Если нейтрино обладают ненулевоймассой, то уже на начальных стадиях расширения Метагалактики решающее значениедля последующей эволюции играло появление нейтринных неоднородностей, которыеиграли роль “теста” для образования “блинов”. Далее предполагается, чтонейтринные “блины” образовали ячеистую структуру, которая была невидимой,поскольку невидимы сами нейтринные облака. Когда обычное вещество началособираться в центральных областях нейтринных облаков, стала проявлятьсяневидимая ячеистая структура Вселенной.

Каждая галактика, возникшая израспавшихся “блинов”, имела свой жизненный путь — в ней возникали шаровыезвездные скопления и звезды разных поколений. Например, в нашей спиральнойГалактике массивные звезды первого поколения давно завершили свой жизненныйпуть и, взорвавшись, обогатили межзвездную среду тяжелыми элементами. Часть изних вошла в состав звезд нового поколения.

Звезды последующих поколенийформируются в молекулярных облаках, богатых молекулами водорода и другихвеществ, межзвездной пылью. Частицы пыли в молекулярных облаках способствуютобразованию молекул от /> и CO до многоатомныхмолекул ацетона />, цианодекапентина /> и др.Молекулярные облака располагаются вблизи галактической плоскости, их немало и вобластях, прилегающих к ядру Галактики. Столкновения облаков, их уплотнениевзрывными волнами, возникающими при вспышках Сверхновых, создают условия дляактивного зарождения протозвезд.

Звезды малых масс эволюционируютмедленно и многие из них дожили до наших дней.

Согласно данным некоторых астрономов,звездообразование в Галактике происходит с определенными перерывами.

По современным представлениям, звездыобразуются в результате сжатия (под действием тяготения) облаков холодногогаза. Сами эти облака представляют собой части более обширных и массивных комплексов,на которые распалось протогалактическое облако. Стадия будущей звезды, илипротозвезды, длится у звезд с массами, близкими к солнечной, несколькомиллионов лет. Формирующиеся звезды окружены газо-пылевыми оболочками, которыене пропускают оптическое излучение от разогревшихся в ходе сжатия центральныхобластей протозвезды.

“Включение” термоядерного реактораозначает, что стадия протозвезды закончилась и началась стадия настоящейзвезды.

Молодым звездам, массы которых близкик массе Солнца, предстоит долгая жизнь: только на главной последовательностиони находятся не менее 10 млрд. лет.

Смена режима работы термоядерноготоплива (водород выгорает в ядре, начинается горение в слоях, прилегающих кгелиевому ядру и т.д.) преображает звезду. Она разбухает, проходит стадиюкрасного гиганта, теряет свою оболочку, ядро обнажается, и звезда постепеннопревращается в белый карлик, а в будущем станет остывшим черным карликом.

Более массивные звезды взрываются,рассыпаясь в межзвездном пространстве, или оставляют после себя нейтронныезвезды или даже черные дыры.

Земля: происхождение идинамика геосфер

Разработка космогонических гипотезявляется результатом усилий многих ученых (Декарт, 1644; Кант, 1775; Лаплас,1796; в XX столетии -О.Шмидт, Х.Альвен, Ф.Хойл, А.Камерон, Э.Шацман и др.).

Сейчас считается общепризнанным, чтопланеты возникли в результате объединения твердых тел и частиц, образовавшихсяво вращающемся вокруг Солнца гигантском протопланетном облаке, состоящем и газаи пыли. Пока не существует однозначного ответа на вопрос: откуда взялосьпротопланетное облако? Однако у некоторых звезд, например Веги, обнаруженыгазово-пылевые диски.

Протопланетное облако содержало газ“звездного” состава (водород и гелий) и пыль из более тяжелых элементов.Сжимающееся облако увеличивало скорость вращения. Пылевой слой, будучигравитационно неустойчивым, распался на множество сгустков, превратившихся врой твердых тел. Сначала размеры этих тел были сравнительно невелики, а ихорбиты юыли близки к круговым. По мере роста масс увеличивалось взаимноепритяжение тел, возрастали их относительные скорости, орбиты становилисьэллиптическими.

Гравитационное взаимодействие былоопределяющим фактором в формировании будущих планет. Уменьшение числа зародышейи появление сверхзародышей происходило до тех пор, пока возникающие крупные имассивные тела не оказались на таких расстояниях, где взаимное притяжение немогло уже существенно изменить их орбиты. Эти безопасные расстояния и стализалогом устойчивости будущей Солнечной системы.

Планеты земной группы сформировалисьсравнительно быстро (Земля за 100 млн. лет), планеты-гиганты росли дольше.

В начале 50-х гг. наука отказалась отпредставления о первичной огненно-жидкой планете. Было развито представление обизначально холодной Земле. Но теперь ученые говорят если не об огненно-жидкой,то об умеренно горячей планете. Крупные по массам и размерам тела, падая наотносительно холодную Землю и глубоко врезаясь в нее, разогревали нашу планету.Такой разогрев оказался сильнее, чем это могло произойти за счет энергии другихмеханических (гравитационное сжатие) и немеханических (радиоактивный распад)процессов. Земля частично плавилась, изменяла свою структуру, формировала ядрои оболочки.

В настоящее время, как известно,Земля имеет расплавленное ядро, состоящее в основном из железа и никеля.Вещества, содержащие более легкие элементы (кремний, магний и др.), постепенновсплывали, образуя мантию и кору Земли. Самые легкие элементы вошли в составокеана и первичной атмосферы.

Самые легкие и легче всегоиспаряющиеся элементы — водород, углерод, азот и кислород — являются составнымичастями современной атмосферы и самой жизни. Внешние слои Земли содержали этиэлементы не в свободном, а в связанном виде в составе других молекул. Подвлиянием разогрева при соударениях вещество теряло летучие элементы, из которыхобразовалась первичная атмосфера. Некоторые молекулы разрушались в процессефотодиссоциации под воздействием ультрафиолетового излучения Солнца. Врезультате атмосфера включала /> и небольшое количествоводорода. Таким образом, атмосфера была слабо восстановительной.

Состав атмосферы менялся в результатеулетучивания атомов и молекул водорода и выделения газов из земной коры, разогретойза счет распада радиоактивных изотопов. Выделение летучих элементов, которое взначительно ослабленной форме происходит и теперь из вулканов, внесло ватмосферу большое количество водяного пара, углекислого газа, азота и окисиуглерода. Таким образом, практически вся вода современных океанов выделилась изпород, слагающих ныне кору и верхнюю мантию Земли.

Под влиянием ультрафиолетовогоизлучения молекулы воды, входящие в состав атмосферы, распадаются на атомыводорода и кислорода. Однако, пока молекулы водорода оставались в составеатмосферы, свободные атомы кислорода быстро вступали в реакцию с ними. Кактолько водород улетучился, в атмосфере образовался свободный кислород, а затеми озон, который образовал озоновый экран, преградивший путь жесткому ультрафиолетовомуизлучения к поверхности Земли.

Дальнейшие изменения атмосферы,гидросферы и верхних слоев литосферы происходили под существенным влияниемвозникшей на Земле жизни. Что же произошло за последние 4 млрд. лет?

Роль живых организмов вэволюции Земли

Живое вещество биосферы — этоактивное начало, преобразующее остальные сферы Земли. Эта роль жизни былавпервые обоснована В.И.Вернадским.

Современная атмосфера Земли естьпродукт деятельности живых организмов. Как писал Вернадский, “атмосфера всецелосоздана жизнью”.

Первичная атмосфера нашей планетыимела восстановительный характер, была лишена свободного кислорода и состоялаиз следующих газов: />На первом месте по количеству стояливода и углекислый газ. Развитие фотосинтеза приводило к освобождению большихколичеств свободного кислорода в гидросфере и затем в атмосфере. Аммиак и метанпрактически полностью исчезают из состава атмосферы в результате окисления.Современная атмосфера является азотно-кислородной и состоит в основном из />

Углекислый газ, который когда-тозанимал второе место по содержанию в атмосфере, оказался химически связанным впородах, главным образом в виде карбоната кальция (мел, известняк). Почти весьуглекислый газ исчез из атмосферы. Небольшие его количества остаются благодаряпроцессам выветривания и дыхания животных; разложение органического веществатакже возвращает этот газ в атмосферу.

Кислород до развития жизнисуществовал в малых количествах. Фотосинтез синезеленых водорослей, а затем изеленых растений увеличил его содержание в современной атмосфере до 21%.

Азот, из которого на 78% состоитсовременная атмосфера, поступил в нее при дегазации, но его сохранению помоглосуществование жизни. При каждом грозовом разряде в атмосфере часть атмосферногоазота соединяется с кислородом и образует окислы азота, которые благодаряосадкам попадают в почву и океаны. В почве живут денитрифицирующие бактерии,которые разлагают окислы азота и возвращают его в атмосферу.

Окись углерода, которая была важнымкомпонентом земной атмосферы, давно соединилась с кислородом и превратилась вуглекислый газ, который, как отмечено выше, сконцентрировался в углеродсодержащихпородах.

Водяной пар, содержание которого быловысоким, все еще составляет часть оболочки Земли — океаны, покрывающие 71%поверхности Земли. Океаны отличают Землю от всех других планет.

Химизм вод Мирового океана взначительной степени определяется и регулируется живым веществом. Воды Мировогоокеана, как и атмосфера Земли, образовались за счет дегазации мантии, т.е.Мировой океан образовался из паров мантийного материала и вначале воды быликислые и минерализованы. Пресные воды появились позже в результате испарения споверхности первичных океанов (процесс естественной дистилляции).

Сильные кислоты в составе ювенильныхвод интенсивно разрушали первичные алюмосиликатные породы, извлекая из нихщелочные и щелочноземельные металлы: Na, K, Rb, Cs, Mg, Ca, Sr, а также солидвухвалентного железа. Первичная поверхность суши омывалась кислыми дождями,под влиянием которых происходили гидролиз и гидратация первых минералов. Прикруговороте воды и выносе катионов Na, K, Mg, Ca значительная их частьзадерживалась в океане и сейчас являются главными катионами океанической воды.К главным анионам ее относятся /> К редким элементамотносятся азот, фосфор, кремний, концентрация которых контролируется ростом иразмножением живых организмов океана. В морской воде растворены природные газы,тесно связанные с атмосферой и живым веществом моря: азот, кислород,углекислота, сероводород.

Земная кора как верхний слой твердойтела Земли первоначально возникла в результате выплавления материала мантии и вдальнейшем оказалась существенно переработанной в биосфере под влияниематмосферы, воды и деятельности живых организмов.

Ландшафт первых сухопутных участковбыл типичный вулканический, подобный современному лунному ландшафту.

Литосфера Земли сформировалась вбольшей своей части за счет деятельности живого вещества. Это относится косадочным породам. Известняки, мел, мрамор почти целиком состоят из остатковскелетов организмов.

Почвенный покров сформировался иразвивался при активном участии живого вещества.

В самом началепалеозойской эры живое вещество переходит на сушу, формируются наземная флора ифауна. Происходит рост биомассы, усложняется ее качественный состав. Новые видыорганизмов для построения внутреннего и наружного скелета используют /> и др. Врезультате резко увеличивается воздействие живого вещества на геохимию океана,атмосферы и осадочной оболочки Земли.

Состав атмосферы приближается ксовременному. Морская вода из хлоридно-карбонатно-сульфатной постепеннопревращается в хлоридно-сульфатную.

Литература

1. Хокинг С. Виден ли конецтеоретической физики? Природа, 1982, 5

Раздел2. ЖИЗНЬОт атомов к протожизни.Неорганические и органические соединения и их многообразие

Молекулы находятся в непрерывномдвижении и сталкиваются друг с другом. Обычно при этом они просто отскакивают вразные стороны, так как их электронные оболочки отталкиваются. Но сильноесоударение может вызвать перегруппировку электронов в столкнувшихся молекулах ивозникновение нового соединения. Это явление называют химической реакцией.Химия изучает процессы превращения молекул при их взаимодействиях и привоздействиях на них внешних факторов — теплоты, света, электрического тока.

Количество химических реакций иколичество молекул не поддаются исчислению. Химия непрерывно создает новыекомбинации атомов, новые вещества.

Многие элементы образуют соединения сводородом — гидриды (CH4, NH3, HF, SiH4, H2S,HCl), а также соединения с кислородом — оксиды (CO, CO2, SO,SO2, SiO2, NO, N2O3, NO2,N2O5).

Вода — соединение водорода скислородом — H2O. Это одно из самых распространенных веществна Земле. Она обладает совершенно удивительными свойствами, которые настольковажны для живых организмов, что нельзя себе представить жизнь, в том виде какмы ее знаем, на какой бы то ни было планете, если только на этой планете нетдостаточного запаса воды.

Уникальные свойства воды определяютсяструктурой ее молекул. В молекуле воды один атом кислорода ковалентно связан сдвумя водородными атомами. Молекула изогнута углом, в вершине угла находитсяатом кислорода. Молекула полярна: ее кислородный атом несет частичныйотрицательный заряд, а каждый из двух атомов водорода — частичный положительныйзаряд.

Частично отрицательный атом кислородаодной молекулы воды притягивается частично положительными атомами водородадругих молекул; поэтому молекулы воды связаны друг с другом водороднымисвязями. В жидком состоянии эти слабые связи быстро образуются и столь жебыстро разрушаются при беспорядочных соударениях молекул.

Свойства воды, имеющие важноезначение для жизни:

1. Вода способна слипаться сама ссобой (когезия) и с другими веществами (адгезия). Отсюда поверхностноенатяжение и капиллярность.

2. Вода является хорошимрастворителем. В воде растворяется больше веществ, чем в любой другой жидкости.Благодаря своей полярной природе вода обладает способностью растворять ионныевещества и другие полярные соединения. Неполярные соединения в воде не растворяются,образуя с водой поверхности раздела. Поверхности раздела в живых организмахиграют очень важную роль, так как именно здесь протекают многие химическиереакции.

3. Вода обладает высокойтеплопроводностью. В живом организма непрерывно происходят реакции,сопровождающиеся выделением тепла. Благодаря высокой теплопроводности воды этотепло равномерно распределяется по всей воде, содержащейся в организме; темсамым устраняется риск возникновения локальных горячих точек, которые могли быпослужить причиной повреждения тонких биологических структур.

4. Вода имеет высокую температурукипения. К счастью для живых организмов, температуры на поверхности Земли редкодостигают точки кипения.

5. Вода, испаряясь, способствуетохлаждению тела, поскольку на испарение воды расходуется много тепла. Многиеживые существа используют это свойство воды (потоотделение, тепловая одышка).

6. Вода имеет высокую температурузамерзания, а ее плотность максимальна при +4°С. Температуразамерзания воды, пожалуй, несколько выше, чем было бы идеально для жизни,поскольку живые организмы во многих областях вынуждены существовать притемпературах ниже точки замерзания воды. Необычное свойство воды: макисмальнаяплотность при температуре, которая выше точки замерзания. При охлаждении от +4°Сдо 0°С вода расширяется, поскольку расстояния между молекулами водыв кристалле льда больше, чем в жидком состоянии. Это значит, что кристалл льдабольше объема той воды, из которой он образовался.

Если кристаллы льда образуются вживом организме, то они могут разрушить его тонкие структуры и вызвать гибель.У озимой пшеницы, у ряда насекомых, у лягушек и других есть природныеантифризы, предотвращающие образование льда в их клетках. Ткани некоторыхорганизмов не повреждаются кристаллами льда. У птиц и млекопитающих температуравсегда поддерживается на высоком уровне.

Благодаря низкой плотности лед всегдаплавает на поверхности жидкой воды. Это предотвращает замерзание всей толщиводы и делает возможным жизнь подо льдом. Особые термические свойства воды такжеобеспечивают перемешивание воды в озерах.

Одно из наиболее важных свойств воды- ее способность растворять многие вещества с образованием водных растворов.Растворы — очень важное состояние вещества.

Вода океанов представляет собойводный раствор, содержащий сотни компонентов. Воздух — газовый раствор азота,кислорода, двуокиси углерода, водяных паров и аргоноидов. Сплав, из которогоизготавливают серебряные монеты, представляет собой твердый, иликристаллический, раствор серебра и меди.

Если один из компонентов растворанаходится в большем количестве, чем другие, то его можно назвать растворителем.Другие компоненты называют растворенными веществами.

Кислоты, основания, соли

Кислота — водородсодержащее веществомдиссоциирующее в воде с образованием ионов водорода. Основание — вещество,содержащее ион гидрах- сила или гидроксильнув группу (ОН), которая придиссоциации данного вещества в водном растворе образует ион гидроксила.Согласно другому определение, кислота — донор протонов, а основание — акцепторпротонов. Кислота и основание, содержащее гидроксил, доит воду и соль:

NaOH + HCl  NaCl +H2O

Соль — это соединение, образующееся врезультате полного или частичного замещения атомов водорода кислоты металлом.При растворении соли в воде составляющие ее ионы диссоциируют, т.е.превращаются в свободные ионы.

Окислительно-восстановительныереакции

Все биологические процессы связаны спотреблением энергии. Источником энергии являются различные реакции. Большуючасть необходимой энергии клетка получает за счет окисления питательных веществв процессе дыхания.

Окисление можно описать как потерюэлектрона, а восстановление — как получение электрона. В обычныхокислительно-восстановительных реакциях эти два процесса происходятодновременно.

Окислительная или восстановительнаяспособность определяется числом электронов, участвующих в окислении иливосстановлении.

Окисление может происходить путемприсоединения кислорода к веществу (собственно окисление), и путем отнятияводорода (дегидрирование). Второй вариант является самой распространеннойформой биологического окисления.

Восстановление происходит врезультате отщепления молекулярного кислорода, присоединения атома водорода илиприсоединения электрона.

Химия жизни

Вода с растворенными в ней различнымипростыми солями — необходимая среда для химических процессов, из которыхслагается жизнь. Жизнь включает всевозможные превращения множестваразнообразных крупных молекул, главным элементом в которых является углерод.

Волькенштейн (1972): “Углерод — самыйважный элемент на Земле. Я говорю о важности углерода для нас, длячеловечества. Наша жизнь — углеродная. Все биологически функциональныевещества, за исключением воды и некоторых солей, содержат углерод. Таковыбелки, нуклеиновые кислоты, жиры, углеводы, гормоны, витамины, порфирины”.

Углерод имеет четыре электрона нанезаполненной оболочке, но он не может образовывать ионы, отдав или принявчетыре электрона. Однако углерод такой мастер образовывать ковалентные связи,что сейчас известно более миллиона веществ, построенных на его основе. Особенноинтересна уникальная способность атомов углерода вступать в ковалентную связьдруг с другом, образуя молекулы в виде длинных цепей, прямых или разветвленных,колец и других более сложных структур. Эти углеродные цепи и кольца составляют“скелеты” органических молекул. Такие молекулы могут объединять самое различноечисло атомов углерода — от нескольких штук до сотен тысяч и даже миллионов.

Простейшими углеродными соединениямиявляются углеводороды, и простейшим среди них — метан CH4.Метан входил в состав первичной атмосферы Земли. Жизнь зародилась в этойатмосфере, и, возможно, метан был древнейшим родоначальником бесчисленныхуглеродсодержащих соединений, возникавших по мере развития жизни. В современныхживых организмах обнаружено лишь несколько углеводородов (каучук, каротин).

Углеводороды представляют собойсоединения, содержащие только атомы углерода и водорода — ряд метана: метан — CH4,этан — C2H6, пропан — C3H8,бутан — C4H10 и т.д. (Они называются также алканами).

Природный газ, получаемый из нефтяныхи газовых скважин, обычно содержит около 85% метана. Газ, поднимающийся со днаболот, состоит из метана с небольшим количеством двуокиси углерода и азота.

В состав некоторых молекулуглеводородов входят кольца атомов углерода.

Простейшим циклическим углеводородомявляется циклопропан C3H6, который может бытьхорошим анестезирующим средством, но опасен: в смеси с воздухом онвоспламеняется от электрической искры.

Циклогексан C6H12 — бесцветная жидкость, получаемая при перегонке нефти, используется в качестверастворителя.

Спирты образуются из углеводорода призамещении одного атома водорода на гидроксильную группу — OH:

из метана CH4 — метиловый спирт CH3OH, из этана C2H6 — этиловый спирт C2H5OH. Из двух молекул спиртаполучается эфир: диэтиловый эфир C2H5OC2H5

Органические кислоты имеют группу COOHи образуются при окислении спиртов: C2H5OH + O2 CH3COOH (уксусная кислота) + H2O.

Жирные кислоты представлены длиннойпоследовательностью углеводородных групп: пальмитиновая (насыщенная): CH3 — (CH2)14 — COOH; олеиновая (ненасыщенная): CH3 — (CH2)7 — CH = CH — (CH2)6 — COOH.

К гетероциклическим относятсясоединения, в которых один, или несколько атомов, входящих в цикл, не являютсяатомами углерода. Например у пиримидина и пурина в состав кольца входят атомыазота.

Пиримидин входит в составтранквилизаторов (седуксен, эленеум), алкалоидов (кокаин, никотин), пурин — всостав молекулы кофеина (кофе). Производные этих соединений входят в составнуклеотидов ДНК.

Изомерия. Молекулы разных веществ могут иметьодин и тот же атомный состав, но при этом сильно разнящиеся свойства. Примероммогут служить этиловый спирт и диметиловый эфир — оба C2H6O.

Понять изомерию можно, сопоставив ихструктурные формулы:

Этиловый спирт известен внезапамятных времен, воспет Анакреонтом, Омаром Хайямом, правда не в чистомвиде, а как важнейшая часть благородного напитка — вина. Диметиловый эфир — такого интереса для человечества не представляет. Это газообразное вещество, скоторым имеют дело только химики. (Не путать с диэтиловым эфиром, применяемымдля наркоза).

По мере увеличения числа атомовуглерода в углеводороде число изомеров резко возрастает. У нонана C9H20 — 35 изомеров, у триаконтана C30H62 — 4 111 846763 изомера. Не то чтобы получить все эти изомеры, но даже изобразить всеневозможно.

Ротамерия. Возникает в результате поворотовгрупп атомов вокруг центральной связи —C—C—. В отличие от изомеровротамеры быстро превращаются друг в друга, так как повороты вокруг единичнойсвязи происходят все время. Расчет показывает, что частота таких поворотов — 1010раз в секунду. Значит выделить ротамеры нельзя, но наблюдать их можно.

Ротамерия существенно сказывается нахимических свойствах вещества. Различные ротамеры соответствуют разнымконформациям молекулы. Так циклогексан C6H12 можетиметь конформации, похожие на кресло и на ванну. Физические исследованияпоказали, что циклогексан имеет форму кресла.

Конформационная химия — новая отрасльэтой обширной науки. Особенно важны конформационные свойства молекул в химии ифизике полимеров и в биологии.

Примером может служить полиэтилен—CH2—CH2—CH2—...

Молекула полимера принимаетконформацию, в которой энергия всех слабых взаимодействий минимальна. Цепочкасамопроизвольно переходит в состояние клубка, состояние наименьшейупорядоченности, которому отвечает наибольшая энтропия. На степень свертываниявлияют валентные углы, наличие ротамеров, что увеличивает объем или длинуклубка. Ротамеры взаимозависимы или, иными словами, состояния полимерныхзвеньев зависят друг от друга.

Если случайный толчок заставил данноезвено повернуться, то это повлечет за собой изменение состояния соседнего звенаи т.д. Таким образом, вероятность того или иного состояния звена зависит отсостояния предшествующего звена, и речь идет о взаимозависимых событиях.

Теорию вероятностей взаимозависимыхсобытий создал великий математик А. А. Марков (1856-1922). Зависимыевероятности образуют своего рода цепи, которые так и называются — цепи Маркова.Полимерная цепь — это цепь Маркова. Математический метод, созданный Марковым,позволил провести строгие расчеты размеров и других физических свойствмакромолекул.

Молекулярные системы, элементарныеединицы которых взаимодействуют друг с другом и поэтому ведут себясогласованно, называются кооперативными системами. Явления, выражающие этовзаимодействие, эту согласованность, именуются кооперативными.

Полимерная цепь, макромолекула — кооперативная ротамерная система. [Растяжение резины — кооперативный процессротамеризации, конформационной перестройки].

Пример из Волькенштейна (1972). Я едув переполненном автобусе. Нужно выходить. Но пассажиры упакованы плотно. Выйтиудается только в результате согласованного, кооперативного перемещенияпассажиров, обменивающихся местами. По мере приближения автобуса к конечнойстанции он постепенно пустеет. Кооперативность уменьшается, в конце концовможно выйти из автобуса, никого не задевая, не спрашивая “Вы сходите?” и непрося подвинуться.

Еще пример. Процесс превращения газав жидкость (или обратный процесс) — кооперативное явление, определяемоевзаимодействием молекул, согласованностью в их поведении, вызванной силамимежмолекулярного взаимодействия.

Так как молекулам полимеров,макромолекулам особенно трудно двигаться и поворачиваться, они легкостеклуются. Твердые пластмассы, и прозрачные и непрозрачные — это полимеры встеклообразном состоянии.

Особенности биологическойформы организации материи. Молекулы живых систем

Из всех полимерных веществ,существующих в природе и созданных человеком, самые важные — белки инуклеиновые кислоты, биологические полимеры, макромолекулы.

Белки выполняют все жизненно важныефункции в организме. Они являются катализаторами, управляющими всей химиейживого организма, всеми биохимическими процессами. Они переносят кислород и запасаютего, обеспечивая дыхание. Они служат основой движений внутри организма идвижения организма как целого. Они защищают организм от болезней. Они являютсяглавными опорными веществами тканей.

Короче говоря, белки умеют всё.Одного они, правда, не умеют — сами себя синтезировать. Для синтеза белковнужны другие полимеры — нуклеиновые кислоты.

Функциональность биополимеровнепосредственно связана с их конформационными свойствами. Синтетическиеполимеры за редким исключением образуют статистические клубки в растворе.Биополимеры образуют глобулы. Глобула радикально отличается от клубка — глобулане рыхлое, а компактное образование, подобное твердому телу. Белковая глобула,построенная из цепи двадцати разных аминокислот, является по выражениюШредингера апериодическим кристаллом.

Замечательной физической особенностьюаминокислот является их хиральность (за исключением глицина). Ниже приведеныдве формы аланина, l — левая и d — правая.

Эти две конфигурации нельзясовместить никаким поворотом, как правую и левую руки.

Весьма важно и интересно то, что всебелки построены только из левых аминокислот. Правые и левые молекулы разнятсязнаком вращения плоскости поляризации света, хиральные молекулы оптическиактивны. Соответственно оптически активны все белки, и это дает возможность ихизучения.

При естественном свете плоскостьэлектрических колебаний все время меняется. У поляризованного света плоскостьколебаний фиксирована. Для получения такого света его пропускают черезполяроидную пленку. Если пропустить плоскополяризованный свет через вещество,состоящее из асимметричных молекул, то плоскость поляризации повернется. Правыеи левые молекулы поворачивают плоскость поляризации в разные стороны.Способность вращать плоскость поляризации и называется оптической активностью.

Рацемическая смесь, состоящая изравных чисел правых и левых молекул, не вращает плоскости поляризации.

Из Волькенштейна:

Маленькая Алиса разговаривает сосвоей кошкой: “Как бы тебе понравилось жить в зазеркальном доме, Кисанька? Незнаю, давали ли бы тебе там молоко? А может быть, зеркальное молоко не годитсядля питья?” Алиса угадала, зеркальное молоко действительно совершенно непитательно. Почему же права маленькая Алиса?

Белки, поступающие в организм спищей, расщепляются на аминокислоты. Из аминокислот строятся новые белки,свойственные данному организму. Но строятся они только из левых аминокислот.Следовательно, зеркально отраженное молоко ему ни к чему. Правые аминокислотыне годятся для синтеза белка.

Последовательность аминокислот в белковойцепи называется ее первичной структурой.

Объединение аминокислот в белковуюцепь происходит за счет групп NH2 и COOH с отщеплениеммолекул воды. Собственно говоря, это не полимеризация, а поликонденсация. Этотпроцесс применяется и в технике -посредством поликонденсации готовятсясинтетические волокна — капрон и найлон. Но в капроне все звенья одинаковые, ав белке 20 разных звеньев — аминокислот.

В определенном белке аминокислотныеостатки расположены в строго определенной последовательности. В этом смыслебелок подобен тексту, напечатанному 20-буквенным алфавитом.

Содержание текста зависит отпоследовательности букв. Физико-химические и, следовательно, биологическиесвойства белка определяются его первичной структурой — последовательностьюаминокислотных остатков в белковой цепи.

В любых текстах встречаются опечатки.Они могут кардинально изменить смысл написанного. В одном немецком изданиипроизведения Ницше “Так говорил Заратустра” вместо слова Incest (кровосмешение)было напечатано слово Insect (насекомое). Получилось, что Заратустра родился отнасекомого.

Известны “опечатки” и в белковомтексте. Они изменяют биологические свойства белка и приводят к очень тяжелымпоследствиям для организма.

Белки функционируют в водной среде.Полимерной цепи в растворе полагается свертываться в беспорядочный клубок,этого требует второе начало термодинамики. Но если бы белки существовали вклубкообразном состоянии, то это противоречило бы точности и специфичности ихдействия. Биологически функциональные белки не являются такими клубками.Напротив, их структура упорядочена, так как свобода внутренних поворотов вбелковой цепи сильно ограничена.

Белковая цепь свернута в видевинтовой спирали благодаря внутренним поворотам вокруг единичных связей C—Cи C—N. Спиральная конформация удерживается благодаря водородным связяммежду N—H — группой одной пептидной связи и C=O — группой другойпептидной связи.

При нагревании белка, при измененииего окружения (воздействие кислот, щелочей и пр.) вторичная структураразрушается. Происходит переход спираль — клубок по принципу “все или ничего”.Иными словами, вплоть до некоторой температуры (обычно меньше 100°C)спираль устойчива, а затем разрушается как целое. Мы встречаемся здесь скооперативным явлением, подобным фазовому переходу (нельзя освободить одинатом, не трогая его соседей, также нельзя освободить одно звено в a-спирали, неразорвав соседних водородных связей.

Белковая цепь вследствие слабыхвзаимодействий между валентно не связанными звеньями свертывается в компактнуюглобулу, которая является третичной структурой. Глобулярная структураопределяет функциональные свойства белка, и прежде всего его ферментативныесвойства.

Не надо путать глобулу сбеспорядочным полимерным клубком. Клубок -подвижная, флуктуирующая система, лишннаяпорядка. В глобуле сохраняется некоторая подвижность звеньев белковой цепи, нов целом она имеет вполне определенное строение.

Глобула стабилизирована целойсовокупностью преимущественно слабых взаимодействий. (Слабые взаимодействия — это водородные связи, ван-дер-ваальсовы силы, электростатические взаимодействиямежду заряженными группами. Особо важную роль играют гидрофобныевзаимодействия). Кроме того, имеются немногочисленные добавочные химическиесвязи — дисульфидные связи S—S между остатками цистеина.

Среди 20 аминокислот имеютсягидрофильные (глутамин, аспарагин, глицин и др.) и гидрофобные (триптофан,изолейцин, тирозин и др.). Гидрофобные аминокислоты имеют углеводородныеR-группы.

Благодаря гидрофобным взаимодействиямгибкая белковая цепь сворачивается в глобулу таким образом, что гидрофобныеостатки оказываются в центральной части глобулы и не контактируют с водой.

Глобулярную структуру имеют белки,существующие и функционирующие в растворе в виде отдельных молекул. Белки,образующие различные ткани в организме, чаще всего имеют форму волокон, то естьфибриллярны (паутина, шелк, шерсть, коллаген).

Белки могут соединяться сдополнительным компонентом и в этом случае они называются протеидами:металлопротеиды (в нитрогеназе, обеспечивающей фиксацию азота в клубеньковыхбактериях, присутствует молибден), фосфопротеиды, хромопротеиды (гемоглобин),липопротеиды (с жироподобным компонентом), гликопротеиды (углеводныйкомпонент), нуклеопротедиы (с нуклеиновыми кислотами).

Нуклеиновые кислоты. Это самыекрупные из молекул, образуемых живыми организмами. Их мономерами являютсянуклеотиды. Каждый нуклеотид состоит из трех молекул: фосфорной кислоты,пентозного сахара и гетероциклического азотистого основания. Нуклеотиды ДНКсодержат сахар -дезоксирибозу и одно из четырех азотистых основания — аденин,гуанин, цитозин или тимин. Нуклеотиды РНК содержат сахар — рибозу и одно изчетырех азотистых оснований — аденин, урацил, тимин или цитозин.

Схема строения нуклеотида:

фосфорная кислота — сахар — азотистоеоснование

Молекула РНК является одинарнойцепочкой нуклеотидов, а молекула ДНК — двойной. У большинства организмов ДНКявляется носителем генетической информации (кодирует структуру белков), а РНКпринимает участие в синтезе белков. У некоторых вирусов (например, онкогенных)нет ДНК, а носителем генетической информации у них является РНК.

Структура молекулы ДНК:

Матричный синтез.Информационные макромолекулы

На молекулярно-генетическом уровне впределах клетки осуществляются процессы хранения, воспроизведения и реализациигенетической информации. Генетическая информация заключается в кодированииструктуры белков — последовательности аминокислот в их молекулах. Этаинформация “записана” последовательностью нуклеотидов в молекулах нуклеиновыхкислот. Носителем наследственной информации у большинства организмов служитДНК, и лишь у некоторых вирусов — РНК.

Воспроизведение генетическойинформации осуществляется путем удвоения — редупликации молекул ДНК. МолекулаДНК представляет собой двойную цепочку нуклеотидов. Нуклеотиды двух цепейсоединены строго определенным способом, образуя пары А-Т и Ц-Г. В результатецепи ДНК оказываются комплементарными или дополнительными. Редупликация молекулДНК выражается в расхождении ее цепей и синтезе на них, как на матрицах, новыхцепей. В силу принципа комплементарности новые молекулы ДНК оказываютсяидентичными исходной молекуле.

Материнская расхождение синтезкомплементарных

Молекула днк цепей цепей иобразование

Дочерних молекул днк

АТАГАГЦЦЦТЦА – АТАГАГЦЦЦТЦА — матрица

/ ТАТЦТЦГГГАГТ — новая цепь

АТАГАГЦЦЦТЦА

ТАТЦТЦГГГАГТ

\ АТАГАГЦЦЦТЦА — новая цепь

ТАТЦТЦГГГАГТ – ТАТЦТЦГГГАГТ — матрица

В способности молекул ДНК ксамоудвоению заключена удивительная тайна наследственности — сходство родителейи детей.

Реализация генетической информации вклетке протекает в два этапа: 1 — синтез молекул информационной РНК на одной изцепей ДНК получил название транскрипции генетической информации в связи с тем,что последовательность АТЦГ в молекулах ДНК превращается в последовательность АУЦГв молекулах РНК, и 2 — синтез белков из аминокислот на рибосомах — трансляциягенетической информации, которая заключается в том, что последовательностьнуклеотидов информационной РНК превращается в последовательность аминокислот вмолекуле белка.

Тема2.1. Живые системы

Термодинамические особенности живыхсистем. Термодинамические основы жизни рассмотрены Э.Шредингером в книге “Чтотакое жизнь с точки зрения физика?” (1945). Он отметил, что на первый взглядимеется решительное противоречие между эволюцией изолированной физическойсистемы к состоянию с максимальной энтропией, согласно второму началутермодинамики, и биологической эволюцией, идущей от простого к сложному.Организмы, однако, не изолированные, а открытые системы, обменивающиеся сокружающей средой и веществом, и энергией. Находясь в неравновесном состоянии,организмы поддерживают это состояние, постоянно совершая работу противтермодинамического равновесия (Э.Бауэр, 1936). Поддержание неравновесногосостояния, или даже уменьшение энтропии состояния организмов оплачиваетсяпоступлением энергии извне и увеличением энтропии в окружающей среде. Так что всистеме “организм-среда” второе начало термодинамики не нарушается.

Принципы взаимодействияорганизма и среды обитания

Живой организм — открытая,термодинамически неравновесная система, связанная с окружающей средой обменомвеществ и энергии. Среда — природные тела и явления, с которыми организмнаходится в прямых или косвенных взаимоотношениях. Условия среды — совокупностьфакторов, воздействующих на организм.

Можно выделить условия, необходимыедля нормальной жизнедеятельности организма (тепло, влажность, освещенность,соленость) и ресурсы вещества и энергии, которые используются организмом дляподдержания неравновесного состояния. Продукты метаболизма (обмена) с высокимсодержание энтропии организм выделяет в окружающую среду.

Своей жизнедеятельностью организмизменяет среду, изменяя и условия своей жизни. Изменение в условиях средывызывают изменения и характера жизнедеятельности или поведения организма,которые носят адаптивный характер. Некоторые изменения среды могут оказатьсянесовместимыми с жизнью, что вызывает гибель или миграцию организма. Такимобразом, взаимоотношения организма со средой характеризуются активностьюорганизма по отношению к среде, что выражается в стремлении организма ксамосохранению, гомеостазису, в поисках или даже создании (для животных)оптимальных условий для своего существования.

Принципы воспроизводстваи развития живых систем

Самым поразительным свойством живоговещества является способность к воспроизведению и эволюции. Во всех живыхорганизмах процессом воспроизведения управляет ДНК, молекулы которой вместе смолекулами РНК снабжают новый организм информацией о том, как он должен бытьустроен и как ему функционировать.

Генетическая информация в ДНКзакодирована последовательностью нуклеотидов. Реализуется эта информация впроцессе синтеза белков. Информация о структуре молекулы белка — опоследовательности аминокислот в нем — содержится в одном из участков одной измолекул ДНК. Этот участок называется геном.

Совокупность всех генов, которыесодержатся в молекулах ДНК данного организма, называется генотипом.Совокупность признаков и свойств организма называется фенотипом. Фенотипформируется в ходе индивидуального развития — онтогенеза. Фенотип организма наразных стадиях онтогенеза различен. Весь ход онтогенеза, его стадии и конечныйрезультат, продолжительность запрограммированы генотипом. Однако эта программадопускает изменения хода онтогенеза, признаков и свойств организма под влияниемусловий внешней среды в пределах, которые называются нормой реакции. Такиеизменения носят приспособительный, или адаптивный характер и называютсямодификациями.

На молекулярном уровне способность квоспроизведению обеспечивается репликацией двойных спиралей ДНК: на одной изполовинок старой молекулы синтезируется половинка новой, в результате из однойматеринской молекулы ДНК получается две дочерних, которые идентичны друг другуи материнской. Это матричный способ воспроизведения информации: спиралиматеринской молекулы ДНК являются матрицами для синтеза дочерних молекул.

Иногда при репликации ДНК происходятизменения в последовательности нуклеотидов, которые сохраняются ивоспроизводятся при дальнейшей репликации. Такие изменения последовательностинуклеотидов в молекулах ДНК приводят к изменению последовательности аминокислотв молекулах белков и называются мутациями. Мутации приводят к изменениюфенотипа, которые могут быть полезными, нейтральными или вредными, что являетсяпричиной дифференциального размножения особей с различными генотипами.Дифференциальное размножение лежит в основе биологической эволюции.

Клеточное строениеорганизмов. Принципы структурной организации и регуляции метаболизма

Впервые клетки (точнее, пустые и уженеживые клеточные стенки) увидел в микроскоп Роберт Гук в 1665 году. Основнойвклад в развитие клеточной теории внесли Т.Шванн (1838) и Р.Вирхов (1855).

Все живые организмы построены изклеток: одноклеточные — из одной, многоклеточные — из множества клеток,образующихся путем деления из одной клетки-зиготы. Человеческое тело состоитпримерно из /> (одного квадрильона)клеток.

Клетка обладает всеми основнымисвойствами живой системы: обменом веществ и энергии (метаболизм), размножениеми ростом, реактивностью и движением. Она является наименьшей структурной ифункциональной единицей живого.

Клетка состоит из трех основныхчастей: 1) поверхностной или клеточной мембраны, которая отделяет клетку отвнешней среды и контролирует обмен между клеткой и средой; 2) цитоплазмы,содержащей разнообразные микроструктуры и органеллы и 3) клеточного ядра, вкотором содержится ДНК — хранитель генетической информации.

Клеточная мембрана представляет собойдвойной слой молекул липидов, в который встроены молекулы белков. Клеткаспособна выделять за пределы своей наружной мембраны различные вещества,например слизь, целлюлозу, образующие клеточные стенки, и другие материалы, атакже избирательно поглощать различные вещества извне. Мембрана обеспечиваетподдержание определенной концентрации солей внутри клетки на постоянном уровне.Гибнущая клетка теряет контроль над внутренней концентрацией различных веществ,особенно солей.

Поглощение и выделение различныхвеществ живой клеткой контролируется особыми белками, встроенными в мембрану.Эти белки служат как бы воротами или насосами, и их работа связана спотреблением энергии.

Внутри мембраны заключено клеточноесодержимое — очень вязкая среда, называемая цитоплазмой. В цитоплазме находятсяразнообразные органеллы, которые также обычно окружены мембранами. К нимотносятся митохондрии, в которых заключены дыхательные ферменты. Здесь“сжигаются” сахара и синтезируется АТФ (аденозинтрифосфорная кислота), богатаяэнергией. В растительных клетках кроме митохондрий есть хлоропласты, содержащиехлорофилл. Здесь происходит фотосинтез, в ходе которого синтезируются сахара имолекулы АТФ.

В клетках бактерий ДНК свободнорасполагается в цитоплазме. В клетках грибов, растений и животных ДНК входит всостав хромосом, которые располагаются в ядре. Ядро отделено от цитоплазмыядерной мембраной.

В типичной клетке содержится свыше500 различных ферментов и протекают сотни и даже тысячи химических реакций,которые осуществляются с помощью белков-ферментов. Синтез всех необходимыхклетке веществ контролируется следующим образом:

1) С помощью репрессии (подавление)или индукции синтеза на генном уровне. Конечный продукт биосинтеза можетвыключить работу соответствующего гена (репрессия). Поступившее в клетку илиобразовашееся в ней вещество может включить работу соответствующего гена(индукция).

2) Посредством ингибирования(подавления) конечным продуктом активности ферментов. Если вещество становитсядоступным в достаточном количестве, то это ведет к подавлению синтеза как егосамого, так и ферментов, участвующих в его образовании.

Ингибирование конечным продуктом естьпроявление отрицательной обратной связи, обычного механизма регуляции, которыйвстречается не только в клетках. Например, когда вода из туалетного бачкаспущена, он снова наполняется до нужного уровня. Термостатическое устройствопод действием тепла отключает систему обогрева комнаты, а наполненный желудокчерез посредство нервной системы выключает чувство голода.

Жизненный цикл клетки

Новые клетки образуются только врезультате деления предшествующих клеток (принцип Вирхова). Основной способделения клеток — митоз. Жизненный цикл клетки представляет собой промежутоквремени от момента возникновения клетки до последующего деления. В это времяклетка растет, специализируется и выполняет соответствующие функции в составетканей и органов многоклеточного организма.

Ткани животного организмахарактеризуются различной судьбой составляющих их клеток. Так, в постояннообновляющихся тканях (костный мозг, кишечный эпителий, эпителий кожи)большинство клеток постоянно находятся в митотическом цикле (до 80%). Врастущих тканях (печень, почки), напротив, только 5-10% клеток непрерывноделятся, а другие выходят из митотического цикла и дифференцируются. Клеткистабильных тканей (нервной и мышечной систем) в конце эмбрионального периодавыходят из митотического цикла, необратимо дифференцируются и выполняютспецифические функции в течение всей жизни организма.

Единство и многообразие клеточныхтипов

Разнообразие клеток столь жеудивительно, как и разнообразие растений и животных. Проще всего устроеныклетки цианобактерий и настоящих бактерий. У них отсутствуют ядра, митохондрии,пластиды и некоторые другие структуры, характерные для клеток высшихорганизмов, не развита система внутренних мембран. В связи с отсутствием ядратакие клетки называются прокариотическими.

Бактериальные клетки могут бытьокруглыми, палочковидными, изогнутыми или скрученными. Клетки шарообразныхбактерий (кокков) способны склеиваться друг с другом, образуя пары, комочки,пленки или длинные цепи. Палочковидные бактерии (бациллы) могут образовыватьпары или цепочки, но чаще живут как одиночные клетки.

Клетки настоящих водорослей иназемных растений, грибов и животных имеют оформленное ядро и называютсяэукариотическими.

Огромное число эукариотическихорганизмов существуют как отдельные клетки: одноклеточные водоросли (хлореллы),одноклеточные грибы (дрожжи) и одноклеточные животные (амебы, инфузории).

Клетки многоклеточных растений иживотных могут выглядеть совершенно по-разному. Человек, например, как и всепрочие позвоночные, состоит из нервных и мышечных клеток, клеток печени,костной ткани и многих других. Разнообразие формы и размеров клетоксоответствует разнообразию их функций.

Несмотря на это разнообразие в основесвоей все клетки очень сходны, и каждая клетка осуществляет все основныежизненные функции, которые свойственны любому живому существу.

Дифференциация и интеграцияфункций в организме

Многоклеточные организмы, к которымотносятся высшие растения и животные, состоят из множества специализированныхклеток, которые происходят из одной исходной неспециализированной клетки, втипичном случае зиготы. Вопрос о том, как происходит эта специализация, какой механизмкоординирует развитие различных клеток и организует построение их них различныхтканей и органов, — один из самых волнующих в современном естествознании.

Первая стадия, ведущая кспециализации клетки, — это детерминация (предопределение) ее будущей роли:станет ли она печеночной, мышечной или нервной и пр. Судьба клетки определяетсяна раннем этапе эмбриональной жизни и зависит от ее положения в эмбрионе.Например, у зародыша саламандры, когда он еще выглядит как почти бесформенныйкомочек, можно взять кусочек кожи с места будущей передней конечности ипересадить на боковую сторону другого эмбриона. Позже на этом необычном местеразовьется добавочная передняя лапа, растущая на боку саламандры. Следовательносудьба пересаженного кусочка кожи уже была необратимо предопределена.

Через некоторое время после того, какопределится будущая роль клетки, эта клетка и ее потомки начинают готовиться квыполнению своих специальных функций. Клетки, предназначенные для выполненияопределенной функции, по мере роста и деления, становятся все более и болееспециализированными и группируются в орган. Этот процесс совершается сневероятной точностью. Поразительный пример — рост тысяч нервных волокон изсетчатки глаза по направлению к зрительным центрам мозга.

Для координации и управленияфункциями у высших животных служат две коммуникационные системы — нервная игуморальная.

Благодаря нервным клеткам, которые,подобно “датчикам” в системах регуляции, следят за параметрами внутренней среды(уровнем сахара, содержанием CO2, температурой тела и пр.)животный организм может поддерживать постоянство внутренней среды. Это явлениеназывается гомеостазом и наивысшего развития достигает у птиц и млекопитающих.

Гормональная система есть и уживотных, и у растений. Гормоны — это органические соединения, которыеобразуются в специализированных клетках в небольших количествах итранспортируются по всему организму с жидкостями тела (кровь и пр.) испецифически управляют функциями других клеток или органов вдали от местасвоего образования.

К гормонам относятся у растенийауксины, гиббереллины, цитокинины (регуляторы роста); у животных — тироксин(щитовидная железа), адреналин и норадреналин (мозговое веществонадпочечников), инсулин (поджелудочная железа) и стероиды — гормоны коры надпочечникови половые гормоны.

В простейшем случае сама концентрациярегулируемого гормоном субстрата тормозит или усиливает образование гормона.Например, повышенная концентрация глюкозы в сыворотке крови стимулируетсекрецию инсулина, который снижает концентрацию глюкозы, усиливая синтезгликогена из нее. Напротив, возрастание концентрации кальция тормозит выделениегормона паращитовидной железы, который регулирует обмен кальция и фосфата.

Многие эндокринные железы саминаходятся под гормональным контролем. Центральное место в иерархии эндокринныхжелез занимает гипофиз, тесно связанный с гипоталамусом. Передняя доля гипофизавырабатывает пять гормонов, которые побуждают периферические эндокринные железывыбрасывать в кровь свои гормоны, а эти последние в свою очередь оказываюттормозящее воздействие на гипоталамо-гипофизарную систему.

Размножение и развитиеорганизмов

Размножение — один из основныхфеноменов, присущих всему живому. Оно обеспечивает сохранение видов в рядупоколений.

При бесполом размножении новая особьвозникает из одной или нескольких способных к делению клеток старой особи.

Размножение одноклеточных организмовосуществляется путем деления родительской клетки. В данном случае смертиорганизма в привычном понимании не наблюдается: одноклеточные потенциальнобессмертны.

У многоклеточных организмов клеткидифференцируются на генеративные и соматические (сома — тело).

При половом размножении в результатеслияния половых клеток (гамет) образуется зигота, из которой затем развиваетсяновая особь. Родительские особи, оставив потомство, умирают.

Бесполое размножение широкораспространено у низших организмов, но нередко встречается и у высших. Оноимеет определенные преимущества, которые заключаются в том, что дочернийорганизм получает точные копии всех генов материнского организма, так чтородители и дети оказываются генетически идентичны. Эту идентичность мынаблюдаем при размножении растений черенками, отводками, клубнями и пр.

Половое размножение приводит кобразованию новых комбинаций генов, полученных от двух родителей, и тем самымявляется причиной комбинативной изменчивости, которая обусловливаетгенетическую уникальность почти каждой дочерней особи и является важнымфактором эволюции.

Развитие организмов заключается впостепенной реализации наследственной информации, полученной от родителей.

Индивидуальное развитие — онтогенезподразделяют на два этапа: эмбриональный и постэмбриональный периоды.

Эмбриональным называется период смомента образования зиготы до рождения или вылупления из яйца.

В эмбриональном периоде развитиявыделяют следующие этапы: 1) дробление — деление зиготы и образование болеемелких бластомеров, образование многоклеточного зародыша;

2) гаструляция — образованиезародышевых листков (эктодермы и энтодермы)в результате перемещения клеточныхмасс; затем между ними образуется третий зародышевый листок — мезодерма;

3) первичный органогенез — образование комплекса осевых органов (у хордовых): нервной трубки, хорды,кишечной трубки.

При дальнейшей дифференцировке клетокзародышевых листков из эктодермы образуются нервная система, органы чувств,эпителий кожи, эмаль зубов; из энтодермы — эпителий средней кишки, печень,поджелудочная железа, эпителий легких; из мезодермы — мышечная ткань,соединительная ткань, кровеносная система, почки, половые железы.

Эмбриональное развитие высшихпозвоночных (рептилий, птиц и млекопитающих) включает образование зародышевыхоболочек: желточного мешка, аллантоиса и амниона.

Постэмбриональное развитие может бытьпрямым или сопровождаться превращением — метаморфозом.

Смерть и ее биологическийсмысл

Течение человеческой жизни, как ижизни всех других существ, от рождения до смерти запрограммировано генетически.Хотя средняя продолжительность жизни в результате успехов медицины за последниесто лет в развитых промышленных странах почти удвоилась и растет дальше,максимальная продолжительность жизни осталась почти неизменной.

Мы мало знаем о том, какими причинамиобусловлен процесс старения многоклеточного организма. Старение, котороенаиболее изучено у млекопитающих, можно определить как изменения,накапливающиеся в организме с течением времени и приближающие его к смерти(замедление процессов репарации и регенерации, снижение эффективности иактивности иммуной, нервной и эндокринной систем, нарушение обмена кальция ипр.). Однако трудно решить, что здесь причина, а что лишь симптомы старения.Одной из причин старения считается накопление мутаций во всех клетках тела, ноэто не применимо ко всем видам. Попытки найти единственную причину старенияоканчиваются неудачей.

Клетки и ткани в культуре in vitro отодноклеточных организмов до экспериментально изолированных клеток или дажетканей растений и животных потенциально бессмертны, их гибель наступает лишьпри неблагоприятных условиях.

Все многоклеточные организмы“обречены” на смерть, но лишь человек знает об этом, сознает свою смертность.Сознание человеком неизбежности своей смерти делает для него неустранимымвопрос о смысле жизни. Вот почему смерть есть вечная тема культуры,“вдохновляющий гений философии” (Сократ).

Смысл смерти — создание условий дляразвития, обогащения жизни, так как видовой, родовой, в том числе и социальныйпрогресс возможен лишь в форме постоянной смены поколений индивидов — временныхи реальных воплотителей родовых свойств и отношений.

Старение и смерть — генетическизапрограммированы. Для каждого вида характерна определенная продолжительностьжизни, которая может изменяться под действием отбора.

Многообразиебиологических видов — основа организации и устойчивости биосферы

Биосфера Земли населена множествомсамых разнообразных живых существ: бактерий, грибов, растений и животных, общеечисло видов которых превышает 2 млн. Благодаря жизнедеятельности организмов вбиосфере осуществляется круговорот веществ и превращение энергии, вне которогоне может существовать ни один живой организм. Полнота и устойчивостьбиотического круговорота зависит от количества видов, участвующих в нем.

Принципы систематики итаксономии

Живое отличается необычайныммногообразием, изучением которого занимается систематика, или таксономия.Задачей систематика (таксономиста) является выделение и описание таксонов — групп организмов, обладающих определенным сходством строения, функций,поведения. Это сходство со времен Дарвина объясняется единством происхождения.Ранг таксона определяется с помощью систематических категорий, которые образуютследующий иерархический ряд от низшего к высшему: вид, род, семейство, отряд,класс, тип, царство. Конечной задачей систематика является построение системытаксонов органического мира, которая правильно отражает филогенетические(эволюционные) отношения между группами организмов. Такая система называетсяестественной.

Планы строения и принципыфункционирования представителей основных таксонов

Прежнее деление организмов на растенияи животные устарело. Современная биология выделяет от четырех до семи и болеецарств живой природы: вирусы, архебактерии, эубактерии, протисты, растения,грибы и животные.

Вирусы относятся к доклеточныморганизмам. Они не имеют клеточного строения и могут размножаться только внастоящих клетках. Вирусы состоят из нуклеиновых кислот (РНК или ДНК) и белков.При заражении клетки вирусом в нее проникает только нуклеиновая кислота вируса,которая заставляет клетку производить новые вирусные частицы. Вирусы некоторымиучеными рассматриваются как “заблудившиеся” или “одичавшие” гены.

Обнаружено, что вирусы являютсяпричиной возникновения мутаций. После вирусных заболеваний (инфекционнаяжелтуха, корь, грипп, энцефалит и др.) у человека и животных резко возрастаетчисло поврежденных хромосом. Геном вируса может включаться в геном хозяина, ивирусы могут переносить генетическую информацию от одного организма к другомукак одного, так и разных видов.

В настоящее время известно около 200форм животных вирусов, 170 растительных и 50 вирусов, паразитирующих вбактериях (бактериофагов).

Архебактерии и эубактерии относятся кпрокариотам — клеточным организмам, не имеющим настоящего ядра. Основныепризнаки прокариот: генетический аппарат представлен одной кольцевой молекулойДНК; отсутствуют пластиды, митохондрии, вакуоли; отсутствует половой процесс,мейоз и митоз.

К архебактериям относятсяметанообразующие бактерии, живущие в болотах и на затопленных рисовых полях.Метан наряду с двуокисью углерода влияет на возникновение “парниковогоэффекта”, ведущего к потеплению атмосферы Земли. Важнейшие поставщики метана — болота Западно-Сибирской низменности и Амазонии, рисовые поля Кубани, СреднейАзии, Китая, Японии, стран Юго-Восточной Азии.

В настоящее время известно около 3000видов бактерий и 1400 видов синезеленых (цианобактерий).

Зеленые и пурпурные бактерии — фотосинтезирующие организмы, но в отличие от зеленых растений они не выделяюткислород в результате этого процесса.

Хемосинтезирующие бактерии используютэнергию окислительных процессов: серобактерии окисляют сероводород до серы;нитрифицирующие бактерии превращают аммиак в азот и азотную кислоту;железобактерии превращают закисное железо в окисное.

Часть бактерий используют энергиюпроцессов брожения, конечным продуктом которого являются органические кислоты:наиболее известны молочнокислые, маслянокислые и уксуснокислые бактерии.

Гнилостные бактерии используютэнергию, высвобождающуюся при расщеплении белков. Конечным продуктом ихдеятельности являются азотные соединения, в последующем окислении которыхпринимают участие нитрифицирующие бактерии.

Бактерии, возникшие на самых раннихэтапах эволюции жизни, сыграли важную роль в создании современного составаатмосферы, в изменении лика Земли.

Цианобактерии — фотосинтетики ипобочным продуктом их фотосинтеза, как и у зеленых растений, является кислород.Синезеленые замечательны тем, что способны использовать азот воздуха и включатьего в органические соединения. Некоторые синезеленые могут иметь дополнительныепигменты, изменяющие их цвет до черного, коричневого и красного. Цвет Красногоморя определяется широким распространением в нем пурпурно пигментированныхсинезеленых.

Синезеленые представлены не толькоодноклеточными, но также колониальными, нитчатыми и многоклеточными формами.Это древнейшие организмы Земли, до сих пор играющие очень важную роль вкруговороте веществ и превращении энергии в биосфере.

К эукариотам относятся растения,грибы и животные. Их клетки имеют настоящие ядра, в которых располагаютсяхромосомы — линейные молекулы ДНК, связанные с белками.

Царство растений включает организмы,для которых характерно автотрофное питание путем фотосинтеза, для чего служатпластиды (хлоропласты): настоящие водоросли, красные водоросли и высшиерастения.

К настоящим водорослям относятся, вчастности, золотистые водоросли (около 400 видов), зеленые водоросли (около5700 видов) и бурые водоросли (до 1500 видов). Тело простейших водорослейсостоит из одной или двух клеток. Есть нитчатые и пластинчатые формы, состоящиеиз многих клеток, но настоящими многоклеточными организмами, для которыххарактерна дифференциация на ткани и органы, водоросли не являются.

Красных водорослей насчитывается до4000 видов. Их клетки кроме хлорофилла содержат пигмент фикоэритрин, которыйпозволяет существовать этим водорослям на глубинах до 100 м, на которуюпроникают только голубые, синие и фиолетовые лучи.

Тело высших растений расчленено накорень, стебель и листья. Корневая система, пронизывающая почву, обеспечиваетрастение водой и минеральными солями, в связи с чем для высших растенийхарактерна неподвижность. Высшие растения подразделяются на споровые(мохообразные -23000 видов, папоротникообразные — 6600 видов) и семенные(голосеменные — 640 видов и покрытосеменные — 200000 видов).

Грибов известно около 100000 видов. Кним относятся хлебная плесень, пенициллум, шляпочные грибы, трутовики. Телагрибов состоят из нитей (гифов), образующих мицелий. Клеточная оболочкасодержит хитин, который входит в состав покровов насекомых. Запасным веществомявляется гликоген — полисахарид, характерный для животных. Некоторые видыгрибов входят в состав лишайников. Роль грибов очень важна в разложениирастительных остатков.

Все животные — гетеротрофныеорганизмы. Они активно добывают пищу, поедая, как правило, живые организмы.Добыча такого корма требует подвижности, с чем связано развитие органовпередвижения, опорно-мышечной системы, нервной системы и органов чувств. Пищаживотными проглатывается либо в целом виде, либо по частям с участием зубнойсистемы. Такой способ питания сопровождается развитием пищеварительной,кровеносной, дыхательной и выделительной систем органов. Животныехарактеризуются поведением (пищевым, территориальным, оборонительным, стадным,половым), которое может быть очень сложным.

Организация животных отличаетсяисключительным разнообразием, а число известных видов (не считая вымерших)превышает 1,5 млн в том числе:

Простейшие 260000

Губки 10000

Кишечнополостные 10000

Черви круглые до 1 млн.

Черви кольчатые 15000

Членистоногие (ракообразные, 39000паукообразные, 63000 насекомые) 1 млн.

Моллюски 100000

Иглокожие до 6000

Хордовые 41000

Эволюционное ииндивидуальное развитие. Онтогенез и филогенез

Наблюдаемое многообразие жизниявляется результатом ее эволюции на протяжении почти 4 млрд. лет. Биологическаяэволюция выражалась в изменении видов, появлении новых видов с более сложнойорганизацией, в усложнении структуры сообществ (биоценозов). На биологическуюэволюцию существенное влияние оказывали условия, складывавшиеся в географическойоболочке Земли, к которым виды должны были приспосабливаться. С другой стороны,организмы сами оказывали глубокое влияние на географическую оболочку Земли,изменяя ее физические и химические параметры. К этим новым условиям организмытакже должны были приспосабливаться в процессе эволюции. Появление новых видоввызывало необходимость приспособления к существованию с ними старых. Врезультате некоторые из прежних видов вымирали. Эволюция, таким образом, носиласопряженный характер, что выражается термином “коэволюция”.

Наиболее общим выражением эволюцииявляется усложнение организации жизни, строения, функций и поведенияорганизмов. Это означало усложнение индивидуального развития (онтогенеза).Появление новых признаков и свойств, новых видов происходило в результатеизменений в ходе онтогенеза предков. Онтогенез новых видов не только включалновые стадии и фазы развития, но также сохранял некоторые особенности развитияпредков. В результате в онтогенезе новых видов наблюдается повторение некоторыхстадий онтогенеза предков, что нашло выражение в биогенетическом законе:онтогенез есть краткое повторение филогенеза.

Генетика и эволюция

Уникальной особенностью молекул ДНКявляется их способность к самокопированию — редупликации. Комплементарностьазотистых оснований обеспечивает полное сходство дочерних молекул сматеринской. В этом заключаются молекулярные основы наследственности.Организмы, имеющие одинаковый набор молекул ДНК или генов, генетическиидентичны и фенотипически одинаковы. Таковы однояйцевые близнецы, или растенияодного сорта, полученные от одной особи путем вегетативного размножения. Такиеорганизмы могут различаться особенностями, которые возникают под влияниемусловий среды на ход индивидуального развития, но эти изменения по наследствуне передаются, хотя они генетически обусловлены.

Однако существуют причины, вызывающиенаследственные или генетические различия между особями одного вида: мутации — изменение структуры генов, хромосом и кариотипов и комбинирование генов какрезультат полового процесса.

Частота мутаций отдельных генов лежитв пределах />. Однако в связи с тем, чточисло генов в генофонде любой популяции очень велико, количество всехвозникающих в каждом поколении мутаций также очень велико.

Случайные, ненаправленные изменениягенетических программ, накапливаясь из поколения в поколение, должны были быразрушить и сами программы, и те фенотипы, которые этими программамикодируются. Однако хорошо известно, что структуры организмов сохраняются в рядупоколений. Более того, в ходе эволюции происходило усложнение структур, что напервый взгляд противоречит второму началу термодинамики.

Естественный отбор пропускает вследующее поколение программы либо не слишком сильно измененные, либо сполезными изменениями, в том числе и более сложные, если они повышают шансы навыживание и размножение. В результате возникают и совершенствуются адаптации иосуществляется прогрессивная эволюция.

Направленность мутаций не зависит отвнешних воздействий, но некоторые внешние силы увеличивают частоту мутаций.Мутационный процесс не носит направленного характера в том смысле, чтовозникают самые разнообразные изменения, среди которых лишь некоторые измененияоказываются полезными в данных условиях. Именно в этом смысле используетсяпонятие “случайный характер мутаций”.

Направленность эволюции определяетсяестественным отбором. Чарлз Дарвин не считал, будто природа на самом делеотбирает что-либо, словно человек, решающий, как ему поступить в том или иномслучае. Выражение “естественный отбор — это выживание наиболее приспособленных”означает, что направление отбора определяется характером отношений междуорганизмами и средой (или в понимании Дарвина — характером борьбы засуществование).

Суть процесса естественного отборазаключается в том, что разные организмы, с разными генотипами, имеют разныекоэффициенты воспроизведения. Реальные результаты отбора выражаются в цифре,характеризующей чистую вероятность выживания и воспроизведения, т.е. шансыкакого-то организма произвести на свет потомство, которое доживет до возрастародителей к моменту его появления на свет.

Единицей эволюции (элементарнойэволюционирующей системой) является популяция. Частота различных генотипов впопуляции зависит от частоты генов в ее генофонде, и эта зависимость выражаетсяформулой Харди-Вайнберга:

где p — частота доминантного гена A,q — частота рецессивного гена /> - частота доминантныхгомозигот, 2pq — частота гетерозигот и /> - частота рецессивныхгомозигот.

Частота генов в данной популяцииостается постоянной от поколения к поколению, пока не подвергается изменениюпод действием какой-нибудь причины (движущей силы).

Одной из таких сил являетсямутационное давление, которое увеличивает частоту мутантных генов, посколькумутации генов представляет собой повторяющийся процесс.

Вторым фактором, способным радикальноизменить соотношение генов в популяции, является случай. В малых популяцияхколебания численности особей приводит к случайному изменению частоты генов, чтоопределяется случайным характером сохранения особей, обладающими некоторыминейтральными различиями. Такие случайные изменения частоты генов называютсягенетическим дрейфом.

Главной причиной изменения частотыгенов в популяции является естественный отбор, который имеет и величину, инаправление. Величина определяется коэффициентом воспроизведения, а направление- характером замещения одного аллельного гена другим.

Литература

1. Рувинский А.О.Эволюция пола и происхождение многоклеточности/ Природа, 1990, 7

2. Геодакян В.А.Эволюционная теория пола/ Природа, 1991, 8

3. Гершензон С.М.Происхождение и эволюция пола/ Природа, 1991, 1

4. Ланда П.С.,Розенблюм М.Г. Автоколебания в живых организмах/ Природа,1992,8

5. Мазин А.Л. Можноли не стареть/ Природа, 1994, 11

6. Озернюк Н.Д.Траектории онтогенеза/ Природа, 1992, 9.

Тема2.2. Человек: организм и личность

Аристотель (384-322 до РХ) впервыеподробно рассмотрел человеческое тело, указал место, занимаемое человеком всистеме животного мира и отметил такие кардинальные различия между человеком иживотными, как прямохождение, крупный головной мозг, речь и разум.

Великий натуралист XVIII века, автор“Системы природы” (1735) Карл Линней отнес человека к царству животных,поместив в отряд приматов и дав название Человек разумный (Homo sapiens): “Онпринадлежит к сему царству по телесному своему сложению...”

Действительно, организм человека, каки у всех высших животных, состоит из систем, выполняющих определенные функции иобразованных органами, тканями и клетками. В общих чертах особенности ихстроения и функционирования одинаковы у всех позвоночных животных. Важно,однако, подчеркнуть не только сходство, но и отличия, характерные для человека.

Положение человека вцарстве животных

Появление в процессе эмбриональногоразвития человека хорды, жаберных щелей в полости глотки и нервной трубкиопределяют принадлежность человека к типу хордовых, а развитие позвоночногостолба — к подтипу позвоночных животных.

Человек принадлежит к классумлекопитающих, поскольку для него характерно наличие млечных желез и волосяногопокрова.

В отряде приматов наиболее крупныегруппы: полуобезьяны (лемуры и пр.), собакоподобные (мартышки и пр.) ичеловекообразные (орангутан, горилла, шимпанзе) — семейство Pongidae.

Человека выделяют в отдельноесемейство Hominidae с единственным ныне живущим видом Homo sapiens, а также егопредками H.habilis (человек умелый) и H.erectus (питекантропы и синантропы).

Современные люди и человекообразныеобезьяны образуют группу гоминоидов, в которой к человеку наиболее близкиафриканские формы — горилла и шимпанзе.

Человекообразные приспособлены кжизни в тропических лесах. На земле они передвигаются обычно на четырехконечностях. Преимущественно наземный образ жизни ведет горилла. Пищейчеловекообразным служат плоды, листья, цветы, побеги и различные мелкиеживотные.

У человекообразных наблюдаетсяотносительно высокое развитие долей лобной области, а также усложнение участковкоры, которые у человека связаны с речевой деятельностью. Извилины мозга учеловеческого эмбриона в конце седьмого месяца имеют такую же степень развития,как у обезьян.

Сперматозоиды и яйцеклетки шимпанзе игориллы по форме и размерам почти неотличимы от человеческих. В ходебеременности и акте родов у человека и шимпанзе установлено большое сходство.Новорожденный шимпанзе с густыми волосами на голове и при их отсутствии на телебольше похож на новорожденного человека, чем взрослый шимпанзе на взрослогочеловека. Половая зрелость у самок шимпанзе наступает к 8-10 годам, у самцов — к 12 годам. Продолжительность жизни близка к человеческой.

Много общего у человека ичеловекообразных в области патологии и болезней: грипп, оспа, холера, сифилис ипр. По способности восприятия цветов шимпанзе близок к человеку. Он хорошоразличает величину и форму предметов. Как показал еще Дарвин, обезьяны способнывыражать на своем лице чувства, сходные с человеческими: гнев, испуг, радость,печаль, плач и смех.

С помощью методов молекулярнойгибридизации показано, что у человека и шимпанзе 99% одинаковых генов.

Отличительные особенностичеловека

У человека имеется ряд очень важных сего (человека) точки зрения отличий от животных, на часть из которых указывалеще Аристотель.

В связи с прямохождением — выпрямленное положение тела, вертикальность туловища и шеи при полнойразогнутости нижних конечностей в коленном сочленении, S-образно изогнутыйпозвоночник и хорошо уравновешенная на нем голова, сводчатое строение стопы.

Кроме того, человек обладаетотличительными особенностями, не связанными непосредственно с прямохождением:редуцированный волосяной покров, почти неподвижные, но хорошо развитые ушныераковины, прямой высокий чистый лоб, хорошо очерченные брови, сильно развитыйнаружный нос, четкий желобок на верхней губе, сильно развитая слизистая иликаемочная часть губ, выдающийся подбородок.

Волосяной покров у человекасвоеобразен: наряду с общей редукцией его на теле имеет место характерноеразвитие волос в подмышечных впадинах и на лобке. На голове волосы густые,обладают постоянным ростом; борода, усы и брови лишены осязательных волос.

У человека сильнее, чем учеловекообразных, выражены различия между полами (половой диморфизм), которыйпроявляется в весе, длине и пропорциях тела, в волосяном и кожном покровах.Женщина в среднем на 8 кг легче и на 9 см ниже мужчины; волосяной покров у нееразвит на теле слабее, а подкожный жировой слой — сильнее; волосы на головегуще и растут интенсивнее; плечи у женщины уже, талия более выражена, таз шире;ягодицы развиты сильнее; физическая сила приблизительно на 1/3 меньше мужской;голос в среднем на октаву выше.

Особого развития у женщины достигаютмлечные железы, в то время как у самок человекообразных выдаются лишь соски, ажелезистая часть набухает незадолго до родов, лишь во время лактации, да и тоне очень заметно.

И, наконец, наибольшее различиечеловека от антропоидов заключается в величине головного мозга.

Известные своими достижениями люди имасса их мозга в г:

Тургенев И.С. писатель 2012

Кромвель О. политик, диктатор 2000

Бисмарк О. политик, рейхсканцлер 1807

Маяковский В.В. поэт, художник 1700

Кант И. Философ 1650

Ландау Л.Д. ученый, физик 1580

Шиллер И.Ф. поэт 1580

Гаусс К.Ф. ученый, математик 1492

Павлов И.П. ученый, физиолог 1457

Данте Алигьери поэт 1420

Ульянов В.И. политик, диктатор 1340

Кони А.Ф. юрист, писатель 1130

Франс А. Писатель 1017

(Из: С.В.Савельев. Природаиндивидуальности мозга человека. Природа, 1995, 9: 16-31).

Масса мозга зависит в значительнойстепени от величины тела животного; более крупные животные обладают в общемабсолютно большим мозгом. Так, слон и кит превосходят человека по абсолютнойвеличине мозга.

Относительная масса мозга — отношениемассы мозга к массе тела выше у мелких животных; по этому показателю человекуступает маленьким обезьянам и некоторым другим мелким млекопитающим. Присравнении разных животных ни абсолютная, ни относительная масса мозга не могутслужить достаточным показателем его развития.

Был предложен квадратный указательмассы мозга (E*E/S), представляющий собой произведение абсолютной массы мозгана его относительную массу. По этому показателю человек резко отличается отвсех животных:

человек — 32,0

слон — 9,82 человекообразные — 2,03-7,35

низшие узконосые — 0,56-2,22

полуобезьяны — 0,13-1,37

Этот указатель отражает уровень“кефализации” или цефализации.

Мозг и высшая нервнаядеятельность

Высшая нервная деятельностьопределена И.П.Павловым как условно-рефлекторная функция коры головного мозга.Условные рефлексы очень широко распространены в животном мире и пронизывают всестороны повседневной жизни высших животных, включая человека.

Главное отличие высшей нервнойдеятельности человека — мышление и речь. Сущность мышления — способность кобобщению. При обобщении различных явлений человек открывает закономерные связимежду ними — законы. Мышление — результат функции всей коры головного мозга. Речьпредставляет собою вторую сигнальную систему, в которой слово — это сигналсигналов.

Высшие функции нервной системы — способность к мыслительной деятельности, осознанию сигналов из окружающейсреды, к абстрактному мышлению и запоминанию — в значительной мере связаны сдеятельностью коры больших полушарий. Кора служит структурной основой сознанияи интеллекта.

В коре головного мозга содержитсяоколо 14 млрд. нейронов, большая часть которых (около 90%) сгруппированы вшесть слоев и образует неокортекс — высший интегративный отдел соматическойнервной системы. Неокортекс отвечает за переработку и интерпретациючувствительной информации (слуховой, вкусовой, соматосенсорной и зрительной), атакже за управление сложными мышечными движениями. Здесь расположены центры,участвующие в процессах абстрактного мышления, речи и хранения памяти. Большаячасть процессов в неокортексе является нейрофизиологической основой сознания.

Второй большой отдел коры головногомозга — палеокортекс. Эта часть коры обладает более простой трехслойнойструктурой. К палеокортексу относятся отделы коры, связанные с лимбическойсистемой. Здесь расположены высшие вегетативные центры. Процессы, протекающие впалеокортексе, не всегда отражаются в сознании.

Существует три ассоциативные областикоры: лобная, височная и затылочно-теменная. В лобной доле расположены главныецентры речи и письма. Самый передний отдел лобной доли участвует в формированииличностных качеств, творческих процессов и влечений.

Затылочно-теменная область участвуетв интерпретации поступающих соматосенсорных, вкусовых и зрительных сигналов.Больной с поражением затылочно-теменной области не может узнать предмет, исходяиз соматосенсорной и зрительной информации о нем. Так, он может осознавать, чтонекий объект оранжевый, круглый и имеет кисло-сладкий вкус, но не способенпонять, что это апельсин.

Поражения стыка теменной, затылочнойи височных долей сопровождаются словесной слепотой (алексией). Такие больныеузнают буквы, составляющие какое-либо слово, но не способны объяснить егозначение.

У больных с поражением заднихобластей височной доли наблюдается словесная глухота. Они легко понимаютзначение написанной фразы, но, если эту фразу произнести вслух, они не всостоянии объяснить ее значение. Полагают, что обширные области височной долиучаствуют в долговременной памяти. Раздражение этих долей сопровождаютсявозникновением сложных картин из прошлого. Воспоминания эти бывают оченьяркими.

В лобных долях расположены главныецентры речи и письма. При поражении задне-боковых отделов ассоциативныхобластей лобной коры теряются все речевые навыки — больной не может выразитьсвои мысли ни в устной, ни в письменной форме.

Самый передний отдел лобной долиучаствует в формировании личностных качеств, творческих процессов и влечений. Припоражении этой области наступают глубокие изменения личности, интересов испособности к концентрации внимания. Такие люди утрачивают социальные“тормоза”, интерес к работе и собственной внешности и становятсянекоммуникабельными.

Многие высшие функции ассоциативныхобластей коры выполняются каким-либо одним полушарием, так что в отношенииразличных сторон высшей нервной деятельности между полушариями существуетасимметрия. Ведущее полушарие (обычно левое) отвечает за интерпретацию иформирование устной и письменной речи. Другое полушарие участвует впространственных построениях и определении временных взаимоотношений, а такжесодержит центры музыкального и художественного творчества.

Одна из важнейших функций нервнойсистемы заключается в ее способности накапливать и хранить прошлый опыт.Памятью называются мысли или элементы прошлого опыта, отложенные в нервнойсистеме в форме, доступной для извлечения.

В настоящее время существуют дветеории формирования долговременной памяти — гипотеза изменения межнейронныхсвязей и гипотеза образования специфических макромолекул (нуклеиновых кислот ибелков). Эти теории не являются взаимоисключающими.

В запечатлении и извлечении следовпамяти участвуют тысячи нейронов коры головного мозга, лимбической системы,таламуса и других нервных центров. Эти следы распределены диффузно, но вхранении и извлечении памяти особую роль играют два отдела коры — гиппокамп ивисочная доля неокортекса. Большинство нейрофизиологов полагают, что памятьобусловлена деятельностью большого количества нейронов, локализованных диффузнов коре головного мозга, а также в таких подкорковых образованиях, каклимбическая система, таламус и гипоталамус.

Гипоталамус — главный центр регуляциивегетативных функций. В нем расположены центры регуляции температуры тела,потребления пищи, водного баланса, полового и эмоционального поведения.

Лимбическая система, содержащаявысшие центры интеграции деятельности внутренних органов, образовананесколькими взаимосвязанными корковыми и подкорковыми отделами конечного мозга.Между этой системой и гипоталамусом имеются тесные анатомические ифункциональные связи. Лимбическая система отвечает за мотивацию и выработкусложных поведенческих актов, успешное выполнение которых требует координациивегетативных и соматических рефлексов.

При нанесении электрическихраздражений на различные области лимбической системы возникают самые различныесложные поведенческие акты, связанные с пищевым и половым поведением,нападением и бегством; наблюдаются также сопровождающие эти акты эмоцииудовольствия, ярости, отвращения и страха.

Эмоции

Эмоции (от лат. потрясаю, волную) — субъективные реакции животных и человека на воздействие внутренних и внешнихраздражителей, проявляющиеся в виде удовольствия или неудовольствия, радости,страха и т.д.

Эмоции связаны с удовлетворением(положительные) или неудовлетворением (отрицательные эмоции) различныхпотребностей организма.

Эмоции представляют собой активныесостояния специализированных мозговых структур, побуждающих человека и животныхминимизировать или максимизировать эти состояния.

Эмоциям принадлежит решающая роль впроцессе обучения, в подкреплении вновь образующихся условных рефлексов.

Сильные, стремительно возникающиеэмоции — аффекты, длительно сохраняющиеся — настроения.

Дифференцированные и устойчивыеэмоции, возникающие на основе высших социальных потребностей человека, обычноназывают чувствами (интеллектуальными, эстетическими, нравственными).

Ситуации, в которых удовлетворениеважных для человека потребностей хронически затруднено, порождает стойкоеотрицательное напряжение -эмоциональный стресс.

“Стресс” — это современное слово,которое широко используется и часто неправильно. Тысячи пособий по практическойпсихологии обещают научить, как избежать стресса или справиться с ним. Но,согласно Гансу Селье, крупнейшему авторитету в этой области, стресс — это“неспецифический ответ организма на любое предъявленное ему требование”. Стресссоставляет важную часть повседневной жизни. Требования и изменения, порождающиестресс, открывают возможность для адаптации к новым условиям жизни.Потенциально опасным и для животных, и для человека может быть слишкомпродолжительный стресс или комбинация стрессогенных факторов (“стрессоров”),затрудняющих или делающих невозможным приспособление к требованиям ситуации.

Известно множество ситуаций,порождающих стресс, — от случаев отделения ребенка от матери в первые годыжизни до серьезных заболеваний у людей зрелого возраста. В наше время одно изсамых травмирующих событий для взрослого — это потеря работы. Было показано,что стрессовое состояние у работника вызывается не столько свершившимся фактомпотери места, сколько предшествующим периодом боязни его потерять.

Селье (1974) показал, каким образомстресс связан с постепенным истощением резервов организма, который стараетсяприспособиться к новым условиям (общий синдром адаптации).

Первый этап — реакция тревоги передвстречей с новой ситуацией связанная с состоянием повышенной настороженности ибеспокойства. Если эта ситуация затягивается, то создается впечатление, чтоорганизм возвратился к нормальному состоянию. Это фаза сопротивления, во времякоторой организм продолжает расходовать имеющиеся резервы, которые, однако, небезграничны, и вскоре начинают истощаться. Это фаза истощения, приводящая иногдак смерти, но чаще — к нервным срывам.

Позднее Селье (1978) высказал мысль,что не всякий стресс вреден. Стресс — неотъемлемая часть жизни, и его нельзяизбежать. Важно, по мнению Селье, то, что каждый из нас способен поддерживатьоптимальный для себя уровень стресса, позволяющий действовать наиболееэффективно.

Если некоторые люди с трудом могутпреодолевать ситуации, лишающие их обычного спокойствия и выходящие изпривычного мирного окружения, то другие ищут действий и большего жизненногопростора, где могут полностью реализовать свои возможности, учась преодолеватьсвязанные с этим опасности.

Наиболее важные из мозговых структур,имеющих отношение к эмоциям, в совокупности называют лимбической системой. Еечасти и функции, по-видимому, в основе своей сходны у всех млекопитающих.

Лимбическая система находится вышествола головного мозга, но ниже коры. В нее входят: некоторые ядра переднейобласти таламуса, гипоталамус, миндалина (средний мозг), гиппокамп и др.

Нервные сигналы из всех органовчувств, а также исходящие от коры, проходят через одну или нескольколимбических структур.

У низших животных значительногоразвития достигает только ствол мозга. Лимбическая система развивается только увысших — у млекопитающих. Рептилии и амфибии ею не обладают. Эмоциональноеповедение у них выражено слабо. “Ваша домашняя черепаха никогда не покажет вам,что она рада вас видеть, когда вы возвращаетесь с работы, как это делает собакаили кошка”.

Человек — наиболее эмоциональное извсех живых существ, он обладает в высшей степени дифференцированными средствамивнешнего выражения эмоций и широким разнообразием внутренних переживаний.

Наша эмоциональная жизнь такмногообразна потому, что лимбическая система у нас связана с корой большихполушарий и лобные области ассоциативной коры развиты в высшей степени.Благодаря этому человек обладает большой способностью к запоминанию иабстракции. Вот почему мы можем испытывать сильный гнев при одной только мыслио несправедливости или стыдиться того, что наше поведение не соответствуетнекоторым культурным стандартам.

С развитием лимбической системысвязан еще один важный эволюционный фактор. Млекопитающие и птицы — единственные (за редким исключением) животные, уделяющие много времени ивнимания заботе о потомстве. Соответствующие формы поведения, в которыхпроявляется то, что мы называем привязанностью, необходимы для выживанияотносительно беспомощных детенышей. Такого рода поведение и те чувства, которыемы с ним связываем, становятся возможными в результате развития лимбической системы.

Природа агрессии

Как показал Чарлз Дарвин (“Выражениеэмоций у человека и животных”, 1872), некоторые из эмоциональных выражений,свойственных лицу человека, очень сходны с теми, которые были свойственны нашимживотным предкам. Дарвин рассматривал эти способы выражения эмоций каксохранившиеся остатки действий, связанных с нападением и защитой. НикоТинберген называл их “интенциональными движениями” — фрагментами подготовкиживотных к действию.

По мере развития социальности уживотных эти выразительные движения, которые ранее были предвозвестникамидействительного поведения, приобретали самостоятельную роль. Они-то и сделаливозможным создание системы социальной коммуникации. Животное могло теперьинформировать других членов сообщества о своем внутреннем состоянии или окаких-то внешних событиях. Эти полезные способности позволяли общественнымвидам все больше усложнять организацию группы.

Важную роль в организации группыиграют отношения доминирования-подчинения, которые сопровождаются постояннымпроявлением агрессивности. В стычках выясняются отношениядоминирования-подчинения, что отражается в турнирной таблице. Время от временистычки возникают для проверки, кто сильнее и приводят к изменению структурыгруппы, положения особей в ней. Иерархия позволяет избежать борьбы всех совсеми. Каждый знает свое место. Иерархия обеспечивает возможность совместныхдействий.

Достижения этологии в пониманииприроды агрессивности нужно знать всем. И дело не только в том, что человеквесьма агрессивное существо, а в том, что агрессивность подчиняется своимзаконам, не зная которых, можно наломать много дров. Эти законы влияют нетолько на поведение каждого человека, включая политиков и военных, но и наповедение общества и государства.

Бытовое понятие агрессии — нападение,причем, несправедливое, неоправданное. В этологии агрессивность означаетзлость, злобу, ненависть. И термин этот никак не окрашен (морально, поК.Лоренцу).

Животное ведет себя по отношению кживотному другого вида агрессивно потому, что оно его чем-то раздражает: либоугрожает ему самому, его территории, гнезду, детенышам, либо выглядит незнакомоили подозрительно.

Внутривидовая агрессия проявляется втом, что особи одного вида неизбежно вступают в конфликт из-за пищи, удобногоместа, из-за самки и пр. Появление или приближение другой особи с неясныминамерениями вызывает настороженность. Затем следует либо бегство, либонападение. Вступая в конфликт, оба испытывают страх, и вместе с ним — приступагрессивности.

Агрессия всегда сопровождаетсяприступом страха, а страх может перерасти в агрессию.

Агрессия накапливается при отсутствиивнешних раздражителей, а порог запуска агрессивного поведения понижается, иагрессия может вырваться наружу без всякого повода (опыты К.Лоренца сцихлидами).

Известны вспышки агрессии внутрималеньких замкнутых групп людей. В обычной жизни наша агрессивность разряжаетсячерез массу незначительных конфликтов. Мы можем научиться кое-как управлятьсвоей агрессивностью, но полностью устранить ее не можем.

Важно помнить, что ограждаяагрессивную личность от раздражителей, мы не снижаем ее агрессивность, а тольконакапливаем. Она все равно прорвется, причем сразу большой дозой.Неутешительно, зато правда.

Накопленная агрессивность может бытьпереадресована на какой-нибудь замещающий объект. Многие птицы клюют землю илилистья, копытные бодают кусты. Мы ударяем кулаком по столу, что-нибудьразрываем на части, бьем посуду.

Часто агрессия переадресуется наобъекты, которые не могут дать сдачи: разгневанный хозяин может пнуть своюсобаку, получивший на работе нагоняй муж — обругать свою жену, ребенок — ударить котенка.

Переадресование агрессии на болееслабого и ничем не провинившегося играет важную роль в поддержании иерархии.

В своей изначальной форме агрессияпредполагает нападение, причинение ущерба и даже убийство объекта.

В эволюции животных наблюдаетсяпереход от немедленного нападения к демонстрации, замена физическогопротивоборства психическим противостоянием. Это спасительно для хорошовооруженных видов.

К.Лоренц утверждал, что хорошооформленное агрессивное поведение -одно из самых замечательных созданийестественного отбора. Обругать друг друга, пригрозить — выгоднее, чем драться,особенно, если оба вооружены.

Оформление агрессии: поза угрозы,оскал пасти и демонстрация зубов (не потому ли мы так внимательно смотрим в ротпри общении с незнакомым человеком?), мимика и украшения, яркая раскраска кожилица у некоторых обезьян и у вождей разных племен, шипение и крик (Ура!),перебранка (язык — страшнее пистолета).

Этологи открыли у животных большойнабор инстинктивных запретов, необходимых и полезных в общении. К.Лоренц более50 лет назад решился написать фразу “мораль в мире животных”.

Кодекс морали у животных:

1) Не убей своего.

2) Не нападай без предупреждения,стремись уладить конфликт без драки.

3) Не применяй смертельного оружия.(Береги уши и глаза противника).

4) Не бей того, кто принял позупокорности (Не бей лежачего. Повинную голову меч не сечет.)

Как проигравшему остановитьраспаленного победителя? Волк, лев, олень — вдруг подставляют самые уязвимыеместа, удобные для нанесения смертельного удара. Но победитель не может егонанести и нарушить запрет (поза и призыв у мальчишек “На, бей!”, “если тебяударили по одной щеке, подставь вторую”… чтобы не ударили еще). Тьма комментаторовне могли понять это место в Библии.

Еще: победа с тем, кто прав.Выигрывает тот, кто защищает свою территорию, свой дом, свою самку, своихдетенышей. Агрессивность более сильного нападающего сдерживается запретом (непожелай ни дома ближнего, ни жены его).

Как говорят юристы:неприкосновенность жилища, личной собственности и жизни.

Забавно наблюдать, как ссорятся двептицы на границе своих участков: по очереди проигрывает тот, кто залетит научасток другого.

Многие морально-этические нормы поведениячеловека, называемые общечеловеческой моралью, имеют свои аналогии воврожденных запретах у разных видов животных. Можно полагать, что в некоторыхслучаях это совпадение. Но, по крайней мере, часть из них восходит к врожденнымзапретам, руководившим поведением наших предков.

Этология дает нам знания, которыенужны многим: учителю и врачу, психологу и социологу; без них трудновоспитателю, офицеру, тюремщику, судье, администратору. Очень хотелось бы,чтобы для пользы всего человечества ими обладали политики. Но самое главное — они нужны каждому из нас, ведь у всех есть или будут дети, младшие братья,внуки. Природа наделила их самым долгим среди живых существ детством, чтобы онимогли, овладевая своими инстинктами и учась, пройти за полтора десятка летогромный путь. Они способны пройти его сами, ошибаясь и страдая. Но путь ихбудет прямее, а результат выше, если мы будем любить и понимать наших детейтакими, какими их создала природа, а не такими, какими их рисует нашевоображение (Виктор Дольник, 1994, стр. 73).

Природа наслаждений

Стратегия поведения организмовопределяется стремлением выжить. Под этим стремлением понимается комплексповеденческих реакций, направленных на улучшение условий среды обитания, добычупищи, продолжение рода, избегание угрожающих ситуаций, соблюдение некоторыхгигиенических навыков и многое другое (М.Мыслободский,”Удовольствие — инструмент эволюции”, Наука и жизнь).

Все они, а среди них есть множествозанятий не то что сложных, а просто обременительных, по разным причинам моглибы остаться невыполненными, если бы не подкреплялись ощущением приятного.Поразительный дар эволюции состоит в том, что мозг фиксирует в качестве наградывсе то, что было выполнено организмом в качестве полезного.

Следовательно, удовольствие — один изинструментов эволюции, элемент механизма выживания. Поэтому утрата ощущенияприятного, отказ от удовольствий, доставляемых жизнью, бывают равносильнымотказу от самой жизни, как это бывает при некоторых психических заболеваниях,когда наступает потеря того, что известный японский писатель Рюноскэ Агутагава,покончивший с собой, в предсмертном письме назвал “инстинктом жизни, животнойжаждой”.

Стремление человека познать самогосебя невозможно без анализа структуры наслаждений. Эта задача сейчас становитсяедва ли не диагностической, продиктованной практическими потребностямиврачевания. Впрочем за 20 столетий до Рождества Христова призывы знаменитой“Песни арфиста” — “Умножай еще больше свои наслаждения, не давай своему сердцуогорчаться...” — имели выраженный профилактический подтекст.

Но так же, как и прежде, одной изсерьезнейших загадок сфинкса эмоций и сегодня остается: “Что есть наслаждение?”

В европейской философии этот вопросбыл поставлен, видимо, не ранее IV столетия до н.э., но науке о гедонизме (отгреческого hedone — удовольствие) не повезло с самого начала, так какудовольствие рассматривалось чаще всего как антипод боли. Гедония считаласьследствием отсутствия страданий.

От Аристиппа до естествоиспытателейXIX века о наслаждениях сказано немало. Но только современная нейрофизиологияполучила возможность искать экспериментальное решение природы наслаждений.Оказалось, что вводя в мозг электроды и раздражая различные центры, можноуправлять поведением животного в довольно широком диапазоне, превращая,например, ласкового, ленивого кота в агрессивного зверя, а сытое животноепобуждать искать пищу. Это значило, что мозг располагает центрами, управляющимиэмоциональными реакциями.

Опыты на крысах американскихисследователей Олдса и Милнера, в которых животные сами нажимали на педаль,вызывая раздражение некоторых участков своего мозга, не обращая при этомвнимания ни на вкусную пищу, ни на особей противоположного пола, ни на сигналыопасности, показали, что центры наслаждений действительно существуют. Стоилопередвинуть электроды порой на доли милиметра, как они попадали в зоны,раздражение которых вызывало панический ужас и расценивалось животными какнаказание.

Некоторые люди получают удовольствиев отказе от того, что большинство из нас считают удовольствием, — это аскеты.Другие находят удовольствие в страдании — это мазохисты. Такой отход от обычныхпредставлений о “награде” основан на индивидуальном опыте — научении илизапоминании.

Биосоциальные основыповедения

В книге “Происхождение человека иполовой отбор” Дарвин пишет: “Мы наблюдали, что рассудок и интуиция,разнообразные чувства и способности, такие, как любовь, память, внимание,любопытство, подражание, сообразительность и др., которыми гордится человек,можно обнаружить в зачаточном, а иногда даже и в хорошо развитом состоянии унизших животных”.

Наше поведение почти также, как и нашоблик, несет в себе много черт, унаследованных как от близких предков, так иболее далеких. Это роднит нас со всеми, что живет на Земле. Без учета этихсвязей многие наши пристрастия странны для окружающих и необъяснимы для нассамих.

Поведение животных выражается втаксисах, рефлексах, инстинктах. Инстинкт — совокупность наследственнообусловленных актов поведения. Обычно инстинкт противопоставляется разуму, обучению,как врожденное поведение — приобретенному.

Инстинкты часто рассматриваются каксиноним всего дурного. Их рекомендуется скрывать и подавлять. Импротивопоставляются мораль и разум. Но в биологии инстинкты — это врожденныепрограммы поведения. Животные рождаются с этими программами. В процессеэволюции происходит изменение и совершенствование этих программ.

История концепции инстинктапереплетается с концепцией произвольного поведения и нашей ответственности засвои действия.

Платон и большинство древнегреческихфилософов рассматривали поведение человека как результат рациональных ипроизвольных процессов, когда индивидуумы свободны в выборе любого путидействия, который диктует их разум. Этот подход назван рационализмом. Онсуществует и по сей день.

В XIII столетии Фома Аквинскийписал:”Человек имеет чувственное желание и рациональное желание, или волю. Егожелания и поступки не определяются только чувственными ощущениями, как уживотного. Он обладает способностью к самоопределению, благодаря чему имеетвозможность действовать или не действовать… Воля детерминирована тем, чторазум считает полезным, — рациональной целью. Это тем не менее не принуждение:принуждение существует там, где организм неизбежно детерминирован внешнейпричиной. Человек свободен, поскольку он рационален, поскольку он невовлекается в действие внешней причиной без его согласия и поскольку он можетвыбирать средства достижения полезного эффекта, или цели, которую поставил егоразум”.

Фома Аквинский считал, что поведениеживотного строго детерминировано чувственными желаниями, хотя он, по-видимому,и допускал, что животное способно к некоторой элементарной рассудочнойдеятельности.

Рене Декарт в работе “Страсти души”(1649) писал, что животные -это механические автоматы, тогда как поведениечеловека находится под двояким влиянием: механического тела и рациональногоразума.

Представление об инстинкте какпервичном двигателе поведения было использовано такими психологами, как Фрейд(1915) и Мак-Дугалл (1908).

Фрейд представлял себе поведение какрезультат взаимодействия двух основных энергий: силы жизни, лежащей в основечеловеческой активности, направленной на самосохранение и продолжение жизни, исилы смерти, определяющей агрессивные и разрушительные действия человека. Фрейдрассматривал эти силы жизни и смерти как инстинкты, энергия которых требуетвнешнего выражения или разрядки.

Согласно Мак-Дугаллу, инстинкты — этоиррациональные и непреодолимые начала поведения, которые направляют организм кдостижению его целей. Он выделял несколько инстинктов и сопровождающие ихэмоции: бегство и страх, отвергание и отвращение, любопытство и удивление,драчливость и гнев.

Дарвин рассматривал инстинкты каксложные рефлексы, сформированные из отдельных поведенческих актов, которыеявляются продуктами естественного отбора. Идеи Дарвина послужили основой дляпредставлений классической этологии, которые были сформулированы Лоренцом иТинбергеном.

Данные, накопленные этологией игенетикой поведения, привели к отказу от противопоставления инстинкта и разумаи к созданию современной концепции генетически обусловленного поведения. Мытеперь лучше понимаем, что все типы поведения представляют собой результатгенетических и средовых взаимодействий.

Инстинктивное поведение сформированона основе комплексов фиксированных действий, которые запускаются специфическимисигнальными раздражителями (знаковыми стимулами).

Комплексы фиксированных действий(КФД) являются объектом исследования этологов.

КФД являются стереотипными, жесткими,предсказуемыми и высокоорганизованными последовательностями актов, которыепроявляются у всех представителей данного вида, вызываются простыми, новысокоспецифичными стимулами. Примеры КФД: разевание клюва у птенцов,выбрасывание языка у лягушки и ловля насекомого, демонстрации при ухаживании иагрессии у птиц.

Важная роль в формировании поведения,в полноценном физическом и психическом развитии принадлежит играм. Игры — этотренировка, проверка выполнения программ поведения: как подходить к своим, какдействовать с половым партнером, объектами охоты, как убегать от хищника, какдраться, как побеждать и как уступать, как рыть, строить, прятать.

Лишенные игр детеныши животныхвырастают агрессивными, трусливыми. Им трудно образовывать пары, жить в мире встае; плохо приходится и их детенышам.

Большинство игр — вариации на триглавные темы:

1) “Хищник-жертва” — один убегает,другой ищет, догоняет, ловит;

2) “Брачные партнеры” — ритуалызнакомства, ухаживания, спаривания;

3) “Родители-дети” — кормление,защита, согревание, чистка.

При этом обязательна смена ролей.

Игры наших детей: догонялки, прятки,в пап и мам, уход за куклами, борьба, игры в войну — все это темы, общие споведением животных.

Множество инстинктов унаследовал отсвоих животных предков человек. Многие из них не исчезнут никогда, потому чтоони нужны, по-прежнему служат, составляя фундамент новой рассудочнойдеятельности.

У ребенка можно наблюдать сотниинстинктивных действий: сосание молока (очень редко этот инстинкт бываетнарушен, и тогда ребенка научить сосать невозможно); прижимает теплый пушистыйпредмет; хватает палец, и ребенка можно поднимать — не отпустит; реакция налицо матери; ловля ногами погремушки; улыбка для своих, на чужих хмурится,кричит, машет; проба всех предметов на вкус; подбирание всяких предметов с земли;цепляние за хвост-юбку матери; отношение к собственности -отнимает у других ине отдает свое (и это не жадность).

Дети любят качели — это наследиебрахиации у приматов. Дети боятся темноты — наши предки были дневнымиживотными, ночь для них была полна опасностей. Дети пугаются маски леопарда — два желтых горящих кружка с черными зрачками: это был один из самых опасныххищников.

Страшные образы в мультфильмах,сказках, в играх — это игровое узнавание хищников и других опасностей, проверкаврожденных реакций на них. Если эти образы мы им не даем, они их самипридумывают.

Половое поведениечеловека

Половое поведение человека в большоймере определяется врожденными программами. Но если бы мы полностью подчинялисьврожденным программам, наше половое поведение было бы диким, примитивным,грубым, эгоистичным (так иногда ведут себя некоторые люди).

В этом наборе врожденных программзаключена информация о том, что нужно сделать, чтобы оставить потомство. Этипрограммы проверяются в игровом поведении: телята, щенки и котята “ездят другна друге”, меняясь ролями. У наших детей команда проверки программы спариваниясрабатывает в возрасте 4-6 лет (игры в пап и мам). Детей этому не учат, они этиигры придумывают сами. В XX веке детские психологи признали сексуальные игрымаленьких детей нормальным явлением, но объяснить их толком не могут, потомучто читают З.Фрейда, а не К.Лоренца.

Б.Спок читал обоих ученых и советуетпресекать такое поведение детей, не делая скандала и не выдавая тайны.

Особенности стратегии размножениячеловека включают значительные затраты на каждого из очень небольшого числарождающихся потомков. Дети рождаются по одному, иногда по два, с интерваломоколо двух лет. Половая зрелость наступает поздно, и женщина может родить лишьнесколько раз за всю жизнь. Для того, чтобы такая стратегия размножения былауспешной, все родившиеся дети должны быть окружены большой заботой родителей.

Матери трудно одной раститьродившегося ребенка. В основном это результат беспомощности, свойственнойчеловеческому младенцу, в сравнении с другими приматами. Мать шимпанзе,например, воспитывает детенышей в течение нескольких лет, при этом сохраняетсвободу и обходится без всякой помощи. Шимпанзе полигамны, и самцы не принимаютучастия в заботе о потомстве. Детеныш держится за шерсть матери, поэтому онаможет питаться и держаться наравне с другими членами группы. Женщина же должнадержать ребенка на руках, так как он не может держаться сам. Даже научившисьходить, ребенок не может быть наравне с другими членами группы.

Главная причина беспомощностичеловеческого младенца — недоразвитость его мозга. Мозг человека в четыре разабольше, чем можно было бы ожидать для примата такой же величины.

Сразу после рождения мозгобеспечивает лишь часть функций. Ребенку требуется времени в два раза больше,чем детенышу гориллы или шимпанзе, чтобы достичь такой стадии развития, когдаон может держаться на ногах. У новорожденного хватательный рефлекс развитхорошо, но он скоро исчезает. Детеныш обезьяны может висеть на матери,уцепившись за ее шерсть руками и ногами, а человеческий младенец не смог быэтого сделать, даже будучи достаточно сильным, так как ноги по строению негодятся для хватания и на матери слишком мало волос.

В этих условиях можно ожидать, чтоженщина предпримет все меры предосторожности, выбирая полового партнера, ибудет стараться обеспечить ребенку хорошего отца. Однако молодая женщина невсегда может высказать свое мнение при выборе для нее супруга. Во многихслучаях брак устраивается родителями невесты или выбор слишком ограничен из-занедостатка мужчин соответствующего социального положения.

У животных во время ухаживанияпроисходит инверсия доминирования: на время ухаживания самец демонстративноподчиняется самке. Мужчина под действием этой программы встает на колени, терпитритуальные побои, выполняет любые поручения, клянется всю жизнь носить наруках, достать звезды с неба, по первому требованию прыгнуть с моста и т.п.Женщина, предлагая ему совершить подобные подвиги, интуитивно проверяет,произошла ли внутри него инверсия в самом деле, или он только притворяется.

Самки многих видов проверяют, какхорошо самец будет обеспечивать пищей ее и потомство. По спецпрограмме самканачинает изображать из себя детеныша. От самца требуется в ответ изобразитькормление. Один из вариантов ритуального кормления — касание ртами. Поганкиныряют за рыбкой или приносят в клюве траву со дна. Шалашниковые птицы подносятярких насекомых, цветы, разные необыкновенные предметы.

Женщины также добиваются подарков,любят, чтобы их угощали. И поцелуй — одна из форм ритуального кормления.

Одновременно поцелуй знаменует дляинстинктивных программ: взаимная боязнь рассеялась, выбор сделан, пора идтидальше. Теперь пара становится устойчивой: ее склеивает доминанта влюбленности.

Доминанта влюбленности преобразуетвосприятие: преувеличивает достоинства избранника и скрывает его недостатки.Теперь он — лучше всех, он — единственный. О влюбленном говорят: ”Ослеп он, чтоли?”

Влюбленность — одно из самых ярких исильных состояний, испытываемых человеком. Первую влюбленность запоминают навсю жизнь.

Природа отмерила всем животным ичеловеку на состояние влюбленности ограниченное время — столько, сколько нужнодля успеха размножения.

Что дальше? У моногамных видов вконце ухаживания самка принимает попытки спариться с нею, оплодотворяется, ипара переходит к следующим этапам семейной жизни.

“А дальше они поженились, жилисчастливо и умерли в один день”. Так и живут аисты.

Половое поведение человекамногообразно, не очень предсказуемо и образует все переходы от узаконенныхобществом до преступных и патологических.

Мораль, закон и религия всегдастремились заключить половое поведение человека в определенные рамки, нополного успеха никогда добиться не могли. Людям всегда казалось, что в этойобласти поработал какой-то дьявол, но этологи говорят, что за первородный грехесть другой ответчик — биологическое наследие.

У многих приматов самец спаривается снесколькими самками, причем зачастую интерес к самке после спариванияпропадает. Подобное свойственно и мужчинам.

У шимпанзе и горилл самцы вообще неухаживают за самками, они просто спариваются с ними по потребности, а самки немогут сопротивляться. Человек также унаследовал способность спариваться безлюбви. Мужчина способны насиловать женщин.

Традиционное общество может половуюсвязь без любви требовать от своих членов: родители по своей воле женилинезнакомых молодых людей, приговаривая “стерпится — слюбится”.

Групповой брак известен у многихживотных, в том числе и у некоторых приматов.

Верветки способны спариваться задолгодо овуляции, а также после оплодотворения, во время беременности. Такоесвойство называется гиперсексуальностью. Самцы верветок не очень доминируют надсамками и поэтому не могут спариваться с ними по своему усмотрению. Они должныпредварительно перевернуть доминирование и начать делиться с самкой пищей.Только с таким самцом самка будет спариваться. Это — поощрительное спаривание.Этим приемом самка верветки заставляет самца кормить ее и до беременности, и вовремя ее. Более того, она стремится “повязать” поощрительным спариванием какможно больше самцов в группе, ведь каждый из них приносит ей подачки и каждыйпринимает ее детенышей за своих.

Групповая форма брака у человекадлилась очень долго, и естественный отбор за это время очень сильно изменилфизиологию женщины. Он сделал ее способной к спариванию всегда, и этим онасовершенно не похожа на самок человекообразных.

К парному браку человек началпереходить совсем недавно, с развитием земледелия. Для этой формы бракагенетические программы не успели образоваться, поэтому брак неустойчив,нуждается в поддержке со стороны морали, законов, религии.

Виктор Дольник: “Мы такие, какими нассоздал отбор. Такими мы друг другу не всегда нравимся. Борьба разума синстинктами в этой области вечна. Каждое поколение снабжало входящих в жизньмолодых людей набором ограничений и советов, найденных в этой борьбе вслепую.Этология, раскрывая содержание инстинктивных программ, открывает новыевозможности: понимать себя и других на основе научных знаний”.

Происхождение человека

Ламарк (1809) допускал, что человекразвился на протяжении времени из обезьяны.

Решение проблемы принадлежит Дарвину(“Происхождение человека и половой отбор”, 1871).

Собранные Дарвиным материалы поанатомии, физиологии и эмбриологии человека и животных, свидетельствовали о ихкровном родстве и требовали признания постепенного развития человека отживотного предка. Дарвин не делал исключения и для психических особенностейчеловека, которые, по его мнению, являются результатом дальнейшего развитиясвойств, имеющихся у животных. Эту мысль Дарвин детально аргументировал сработе “О выражении эмоций у человека и животных” (1972). Вместе с тем, Дарвинподчеркивал, что современные обезьяны не являются прямыми предками человека.

В 1856 году в Германии в долинеНеандерталь возле Дюссельдорфа нашли явно человеческие кости и череп. РудольфВирхов (1821-1902) считал, что это скелет старика, перенесшего рахит в юности иподагру к концу жизни, а Поль Брока (1824-1880) утверждал, что у современногочеловека, независимо от того, болен он или здоров, не может быть такого черепа,как найденный, и что неандерталец представляет собой примитивную формучеловека.

В 1894 году Эжен Дюбуа (1858-1940)описал найденного им на острове Ява обезьяночеловека прямоходящего — питекантропа.

Тейяру де Шардену (1881-1955)принадлежит заслуга описания синантропа в 20-30 годы XX столетия.

В XX веке были обнаружены переходныеископаемые формы между животными и человеком — австралопитеки. И таким образом,палеонтология подтвердила положение Дарвина о происхождении человека от высшихживотных. Ныне этот факт признает даже Папа Римский.

Этапы антропогенеза

Отряд приматов, к которому К.Линнейотнес человека, возник в самом начале третичного периода. Решающее влияние наформирование приматов оказал древесный образ жизни. К ранним формам приматовблизки современные полуобезьяны — лемуры, долгопяты, тупайи. Одной из наиболеепримитивных ископаемых форм антропоидов является парапитек (40 млн лет),величиной с кошку. Дальнейшее развитие антропоморфных обезьян (проплиопитек — 30 млн лет, дриопитеки — 27-12 млн лет) выразилось в 1) увеличении размеровтела; 2) развитии головного мозга; 3) усложнении поведения, высшей нервнойдеятельности; 4) материнского инстинкта; 5) появлении и развитии строительнойдеятельности.

Дриопитеки имели крупные размеры,массивные челюсти, мощные клыки. Они являются предковой группой для современныхкрупных антропоидов -орангутанов, горилл, шимпанзе. Некоторые из дриопитеков,особенно проконсул, близки к непосредственным предкам человека, которымиявляются австралопитеки.

Впервые остатки австралопитеков былиобнаружены в 1924 г. в Южной Африке и описаны Дартом, который дал им название“австралопитек африканский”. Они были прямоходящими наземными существами,достигали веса 30-40 кг, роста 120-150 см. Масса головного мозга — 530-550 г.Время существования: появились около 5-7 млн лет, вымерли около 750 тыс. леттому назад.

В 1959 году английский антропологЛ.Лики в северной части Танганьики обнаружил форму, почти не отличимую отавстралопитеков, но с более крупным головным мозгом (650 г.), которая, как былоустановлено, изготавливала галечные орудия труда (резцы, долота, диски). Этаформа получила название Homo habilis, или Человек умелый. Время появления ее-2,6 млн лет. Галечная, или олдувайская культура этого существа рассматриваетсякак самая ранняя ступень эпохи палеолита, а значит, как начальная фазастановления человеческого общества.

Этапы антропогенеза:

1) Архантропы, к которым относятсяпитекантропы, синантропы и др. близкие им формы. Время их существования — 1,6млн. лет — 200 тысяч лет тому назад. Объем головного мозга 775- 1215 куб. см.Отличаются развитой орудийной деятельностью, использовали огонь. Охотились накрупных животных (буйволов, носорогов, оленей). Жили в пещерах. Внешне былипохожи на современного человека, но отличались мощным развитием надбровноговалика, отсутствием подбородочного выступа, низким и покатым лбом.

2) Палеоантропы, к которым относятсянеандертальцы, жили в период от 300 тысяч лет до 40 тысяч лет тому назад. Объемголовного мозга достигал 1500-1600 г. Неандертальцы были близки к человекусовременному, но отличались от него низким скошенным лбом, сплошнымнадглазничным валиком, слабым развитием подбородочного выступа. Рост 155-165 см.Антропологи рассматривают неандертальца как подвид Человека разумного.

3) Неоантроп, кроманьонец, иличеловек современный, собственно

Homo sapiens. Время появления 50-40тыс. лет тому назад. Внешне практически от современных людей не отличался.

Биологические предпосылкии факторы антропогенеза

Древесный образ жизни. Развитие приматов происходилоодновременно с формированием современных лесных сообществ, особенноэкваториальных и тропических вечнозеленых многоярусных лесов. Вероятно, никакойдругой образ жизни — водный, наземный, воздушный — не мог бы привести квозникновению разумного существа, подобного человеку.

Увеличение размеров теласпособствовало лучшей защищенности от хищников (наиболее яркие примеры — вымершие гигантопитеки и современные гориллы). Стереоскопическое зрение ихватательные конечности — непременные условия эффективного перемещения крупныхживотных в трехмерном пространстве.

Увеличение размеров тела вело кснижению плодовитости, что требовало усиления заботы о потомстве, развитияматеринского инстинкта для обеспечения устойчивого воспроизведения вида прималой плодовитости.

Предки приматов — насекомоядныемлекопитающие являются плотоядными. Для приматов же характерна всеядность.Широкий спектр кормов и разнообразие способов его добычи способствует развитиювысшей нервной деятельности.

Складывается групповой образ жизни,который обеспечивает лучшую защищенность от хищников.

Древесно-наземный образ жизни.

Увеличение размеров тела привело ктому, что наши предки на стадии дриопитеков перешли к древесно-наземному образужизни (примерно такой образ жизни ведут шимпанзе). Это способствует расширениюкормовой базы, но связано с увеличением степени опасности (наземная среда полнакрупных и опасных хищников), особенно, в ночное время. Ночной отдых крупныхприматов (например, шимпанзе) происходит на деревьях, что требует строительствагнезд. Лишь самые крупные из антропоидов — гориллы — проводят все время наземле: их надежно защищают большие размеры те ла и огромная физическая сила.

Переход к наземному образу жизни.

Важнейшим событием в эволюции нашихпредков является полный переход к наземному обитанию в условиях открытыхландшафтов — саванн. Вероятно, этот переход был обусловлен расширением площадейпод редколесьями и саваннами, а также сильной конкуренцией со стороны болеемелких и лучше приспособленных к древесному образу жизни приматов.

Можно выделить следующие главныемоменты в овладении наземной среды обитания.

1) Формирование прямохождения, чтобыло обусловлено использованием руки для постоянного ношения и применениянекоторых предметов в качестве оружия или орудий, а затем переходом кизготовлению искусственных орудий и оружия.

2) Усиление стадности и развитиесоциального поведения и социальной организации.

3) Переход от собирательства к охоте,особенностью которой является коллективный характер и применение специальноизготовленного оружия.

Эти три момента явились важнейшимиусловиями успеха в борьбе за существования и факторами становления человека какразумного, социально организованного существа, обладающего речью. В то жевремя, эти три момента обусловили переход от биологической эволюции кпсихо-социальному развитию, что сопровождалось снятием ведущей ролиестественного отбора в развитии человека как биологического вида.

Таким образом, эволюция человекаопределялась естественным отбором на приспособленность к окружающей среде(абиотической и биотической), а также отбором, направление которогоопределялось социальными факторами: мышлением, речью, общественным образомжизни. Социальные факторы обусловили развитие способности к обучению, котороележит в основе эпигенетического развития, основанное на наследованииприобретенного опыта, культуры. Так происходил переход от биологическойэволюции к человеческой истории.

Несмотря на это, биологическиезакономерности продолжают играть в жизни человека и развитии человечества стольважную роль, что природа человека многими учеными определяется какбиосоциальная.

Проблемы цефализации

Увеличение объема головного мозга(цефализация) — наиболее характерная черта биологической эволюции человека впереходный период от животного предка до кроманьонца. Рождение крупноголовыхдетей требует широкого женского таза. Но, с другой стороны, прямохождениепредъявляет противоположное требование — таз должен быть узким и более прочным.Это противоречие привело к тому, что роды у человека стали сопровождатьсяродовыми муками, что для животных не характерно. Таким образом, описанная вБиблии сцена проклятия Евы (“В муках будешь рожать детей своих”) имеет подсобой эволюционно-биологическое обоснование.

Природа, однако, предприняланекоторые попытки разрешить эту проблему:

1) дети стали рождаться недоношеннымипо биологическим меркам (в сравнении с шимпанзе, например);

2) головка новорожденного способна кзначительным деформациям, быстрому увеличению размеров в послеродовой период, всвязи с чем зарастание родничков и окончательное формирование черепных швовотложены на более поздний период.

Отмеченные обстоятельства привели кудлинению периода детства, в течение которого ребенок является беспомощным инуждается в постоянной заботе родителей. В этот период происходит окончательноеформирование важнейших структур головного мозга. При чем на этот процесссущественное влияние оказывает внешняя среда, в том числе социальное окружение.В этом суть исключительно высокой пластичности индивидуального развития мозгачеловека. В этом заключаются биологические основы способности человека кусвоению огромных объемов информации в процессе обучения, что явилось важнейшейпредпосылкой социального прогресса.

Биосоциальная природачеловека

1) Как всякий живой организм человекнуждается в источниках энергии и вещества (принцип негэнтропии). Для человекатаким источником является растительная и животная пища.

2) Всякий животный организм характеризуетсяповедением, направленным на сохранение своей жизни (принцип самосохранения).Проблема личной безопасности важна и для человека.

3) Каждое живое существо в процессеразмножения оставляет подобное себе потомство (принцип воспроизведения).Инстинкт размножения заложен и в каждом нормальном человеческом существе.

Если какой-либо биологический вид неможет решить хотя бы одну из указанных проблем, он исчезает с лица Земли.

На реализацию биологического вчеловеке накладывает отпечаток (преобразует) его человеческая сущность(природа). Отметим три составляющие этой сущности: стремление к наслаждению — принцип Эпикура (гедонизм), стремление к красоте — принцип Достоевского(эстетизм) и духовность — принцип Иисуса Христа (?).

Эстетизм прошел длительный путьразвития от наскальных рисунков кроманьонцев до формулы Достоевского “Красотаспасет мир”.

Гедонизм вырос из ощущенияудовольствия, развившегося у высших животных и нашел свое выражение в принципеЭпикура “Наслаждайтесь!”. Аристипп: Наслаждение, удовольствие — высшая цель иосновной мотив человеческого поведения.

Как выразить принцип духовности?Может быть словами Иисуса Христа: “Не хлебом единым жив человек”?

Каким образом эти принципы оказываютвлияние на проявление биологического в человеке?

1) Приготовление и потребление пищивыражается в искусстве кулинарии и сервировки. Человек наслаждается вкусной икрасиво оформленной пищей.

2) Проблема самосохранения решаетсяпостройкой жилища, обставленного необходимой мебелью и по возможности “со всемиудобствами”, изготовлением и ношением одежды, оружия (там, где это необходимо).Все это делается красиво и обеспечивает человеку не только личную безопасность,но также и определенный уровень комфорта.

3) Воспроизведение проявляется внормальной сексуальности (половом влечении), которая находит свое высшеевыражение в любви, и ведет к созданию семьи, обеспечивающей воспитание детей.

”Все этотак. Но избежит ли грешный

Небесныхврат, ведущих в ад кромешный?”

Шекспир

В погоне за удовольствиями, встремлении к наслаждениям человек не знает предела. В результате:

1) Процесс питания перерастает вчревоугодничество, в обжорство, в стремление поглощать как можно больше, какможно более вкусной и изысканной пищи, что для некоторых становится смысломжизни, самоцелью и оказывается биологически нецелесообразным.

2) Самосохранение преобразуется встремление к роскоши во всем: строительстве дворцов и их обстановке, ношениисверхмодной одежды и прочая, и прочая. Вещизм также часто поражает людей истановится смыслом их жизни.

3) Процесс воспроизведения заменяетсястремлением соблазнить как можно больше женщин, или мужчин (синдром Дон-Жуана).При этом часто любители сексуальных наслаждений теряют способность производитьпотомство, что также оказывается биологически нецелесообразным.

”Жить — хорошо!

А хорошожить — еще лучше!”

(изкинофильма “Кавказская пленница”)

Что значит “Хорошо жить”?

Статья 29. Каждый человек имеетобязанности перед обществом, в котором только и возможно свободное и полноеразвитие его личности.

Экология и здоровье.Биополитика

Физическое и психическое самочувствиечеловека, его настроение, деловая активность в решающей степени зависят отсостояния его здоровья, которое в настоящее время оказывается под угрозой всвязи с антропогенным изменением среды обитания.

В настоящее время в окружающую средупопадает все больше веществ антропогенного происхождения, являющихся не простозагрязняющими, но и сильно токсичными, канцерогенными, аллергенными имутагенными. Поэтому для выживания человечества требуется срочный пересмотрприоритетов развития. Экология не должна подстраиваться под нужды экономики иполитики, а наоборот, необходим экоцентрический подход. Богатство иблагополучие страны должны оцениваться не количеством произведенныхматериальных благ, как это принято сейчас, а уровнем здоровья населения.

Самыми важными для здоровья человекаявляются качество воздуха, количество и качество питьевой воды и продуктовпитания, а также радиационный фон, уровень шума и электромагнитных колебаний,не превышающие допустимые значения.

Важное значение для сохранения ивосстановления здоровья имеют рекреационные ресурсы: минеральные воды и грязи,горный и морской воздух, лесные массивы с хвойными породами деревьев и др.Имеющихся в настоящее время благоустроенных курортов недостаточно, ониперегружены, загрязнены и в значительной мере потеряли свои рекреационныесвойства.

Деятельность по рациональномуиспользованию и охране окружающей среды контролируется, регулируется инаправляется государством через систему природоохранного законодательства.Только тогда, когда экологические законы и требования, осознанные наукой,находят соответствующее юридическое оформление в виде законов, декретов,указов, постановлений, обязательных для исполнения, они получают реальные шансына претворение в жизнь. Поэтому постоянное совершенствование природоохранногозаконодательства в соответствии с развитие науки и техники имеет важнейшеезначение.

Право человека на благоприятнуюокружающую среду и достоверную информацию о ее состоянии, а также обязанностькаждого сохранять природу и бережно относиться к ее ресурсам закреплены вКонституции Российской Федерации.

В конце XX в. стало ясно, что решитьпроблемы сохранения окружающей среды только на уровне отдельной страныневозможно. Причина заключается в том, что биосфера Земли представляет собойцелостную, интегрированную систему. Поэтому мало совершенствовать собственноезаконодательство, необходимо всячески способствовать развитию международногозаконодательства, регулирующего совместные усилия всех стран в деле охраныприроды.

Необходимо экологическое воспитаниенаселения с детских лет, без чего нельзя надеяться на реализацию даже самыхзамечательных и научно обоснованных программ сохранения бисоферы. Когдабольшинство населения поймет, что экологические преступления — этопреступления, а не извинительный проступок, только тогда можно будет надеятьсяна благополучный выход из экологического кризиса. Осуществление действенныхэкологических программ требует таких значительных средств и ограничений, чтоправительства вряд ли решаться на них, пока народ не осознает их жизненнуюнеобходимость.

Литература

1. Авдюшин С.И.,Данилов А.Д. Солнечная активность и события на Земле: вымысел и реальность.Природа, 1993, 3

2. Анисимов В.Н.Цена продленной жизни: взгляд онколога/Природа, 1990, 10

3. Анисимов В.Н.Солнечные часы старения/ Природа, 1995, 10

4. Бердышев Г.Д.,Загария А.М. Дерматоглифика и долголетие/Природа,1990,12

5. Введенский В.Л.,Ежов А.А. Ритмы мозга и самовоспроизведение информа ции/ Природа, 1990, 4

6. Гелиобиология: отЧижевского до наших дней. Природа, 1994, 9

7. Григорьян Н.А.Н.К.Кольцов и экспериментальная генетика высшей нервной деятельности/ Природа,1992, 6

8. Лопухин Ю.М.Биоэтика/ Природа, 1991, 10

9. Немцов А.В.Потребление алкоголя как глобальная проблема/ Природа, 1990, 1

10. Плюснин Ю.М.Каких друзей мы себе выбираем. Социобиология дружбы. Природа, 1993, 9

11. Савельев С.В.Парадокс формы мозга/ Природа. 1992. 3

12. Савельев С.В.Монстры. Природа, 1993, 10

13. Савельев С.В.Природа индивидуальности мозга человека/ Природа, 1995,9

14. Титов С.А.Системный и молекулярный подходы к проблемам памяти/ Природа, 1990, 6

Тема2.3. Биосфера и цивилизация

Популяции, сообщества, экосистемы.Принципы их организации. Формы биотических отношений в сообществах. Популяция — структурная единица вида. Она представляет собой совокупность особей одноговида, населяющую определенное местообитание с однородными условиями (пруд,озеро, реку, луг, лес, болото и пр.), в пределах которого происходит свободноескрещивание (панмиксия) особей (в случае полового размножения с перекрестнымоплодотворением). Популяция — это совокупность совместно проживающих ипостоянно контактирующих (взаимодействующих) особей одного вида.

Структура популяции включает: половые(самцы и самки), возрастные, генетические, территориальные (семьи, стада,колонии) и др. группы особей. Взаимоотношения особей в популяции выражаются вполовом поведении, заботе о потомстве, территориальном поведении, в активной ипассивной конкуренции, сотрудничестве и взаимопомощи (кооперации).

Важнейшими свойствами популяцииявляются: численность, плотность, рождаемость и смертность, прирост и темпроста.

Численность популяции являетсявеличиной переменной, которая зависит от многих факторов. Численность популяциив благоприятных условиях способна к неограниченному росту, который описываетсяэкспоненциальной кривой. Обычно это явление называется геометрическойпрогрессией размножения. В результате численность популяции может достигнутьлюбых значений, но обычно это не наблюдается, так как максимально возможнаячисленность популяции ограничивается экологической емкостью территории, и какправило, не достигает этого уровня под влиянием регулирующих факторов.

К факторам, регулирующим численностьпопуляции, относятся: конкуренция, голод, каннибализм, стресс, болезни,хищники, которые снижают численность, если она превышает оптимальное значение.Увеличение численности популяции приводит к усилению действия этих факторов, врезультате чего снижается рождаемость, повышается смертность и численностьснижается.

Сообщество — система совместноживущих автотрофных и гетеротрофных организмов, объединенных общимместообитанием и связанных определенной совокупностью биотических отношений.Биотические отношения выражаются в трофических (пищевых) связях, хищничестве ипаразитизме, межвидовой конкуренции и кооперации, антибиозе и симбиозе.

Обычно сообщество понимается каксиноним биоценоза. Биоценоз состоит из популяций многих видов, которые можноподразделить на три основные группы: продуцентов (зеленые растения, водоросли,хемосинтезирующие и фотосинтезирующие бактерии), консументов (животныерастительноядные и хищники, паразиты) и редуцентов (грибы и большинствобактерий).

Продуценты производят органическоевещество из неорганического, используя солнечную энергию, или энергию,выделяющуюся в результате окислительно-восстановительных реакций. Консументыявляются потребителями органического вещества, которое служит для нихисточником энергии и строительного материала. Однако термин “потребители”неполно характеризует роль животных в сообществе. Животные являютсярегуляторами численности растений, способствуют их распространению, рассеиваясемена, некоторые группы животных (насекомых, птиц, млекопитающих) — важныеопылители цветковых растений. В целом животные играют важную роль в круговоротевеществ в экосистемах.

Редуценты разлагают органическоевещество (растительный опад, трупы животных и их экскременты) на минеральныекомпоненты: воду, углекислый газ, минеральные соли, которые снова используютсярастениями. Отсюда понятно, что без редуцентов существование сообщества было быневозможным.

Круговороты вещества иэнергии

Наличие всех трех групп длянормального функционирования сообщества обязательно. Их совместная жизнедеятельностьобеспечивает устойчивый биотический круговорот веществ и превращения энергии,которую зеленые растения получают от Солнца. Используя энергию Солнца, зеленыерастения в процессе фотосинтеза производят углеводы из углекислого газа иатомов водорода, отнимаемых у молекул воды. Побочным продуктом фотосинтезаявляется свободный кислород, выделяемый растениями в окружающую среду. Ирастения, и животные в процессе дыхания окисляют углеводы до воды и углекислогогаза, используя свободный кислород, содержащийся в воздухе или воде. Врезультате они синтезируют АТФ (аденозинтрифосфорную кислоту), в которойзапасается энергия, используемая живыми существами в процессежизнедеятельности.

Вне этого круговорота не можетсуществовать ни один вид, в том числе человек.

Сообщества различаются по количествуи разнообразию составляющих их видов. От этого зависит сложность структурысообщества и степень его устойчивости (способность к саморегуляции). Обеднениевидового состава сообщества под влиянием деятельности человека ведет к снижениюего устойчивости, что может привести к разрушению сообщества и замене егодругим, как правило, с более простой структурой.

Биосфера

Биосфера — геологическая оболочка,населенная живыми организмами. Ее можно рассматривать как глобальную экологическуюсистему, состоящую из всех биогеоценозов Земли.

Следовательно, биосфера, как всякаяэкологическая система, — открытая саморегулирующаяся система, функционированиекоторой обусловливается притоком космической, главным образом, солнечной,энергии.

Биосфера во внешней части создаетгазовую оболочку, соприкасающуюся со Вселенной, а внутри планеты — оболочкиосадочных пород. Жидкое и твердое топливо, которое мы добываем из недр Земли,кремнистые, железистые, марганцевые и другие породы образовались благодарядыханию, питанию, жизни и смерти живших когда-то организмов. Они“законсервировали” солнечные лучи, “запасли” для нас полезные ископаемые.

Вследствие жизнедеятельностиорганизмов происходит непрерывный глобальный круговорот веществ и трансформацияэнергии в биосфере.

Растения при помощи солнечной энергиисоздают органические вещества.

Грибы разлагают мертвую органику иподготавливают вещества для повторного использования их организмами.

Животные расселяют растения,регулируют их численность, перемещают живое вещество против направления стока.

Многоклеточные животные — этотранспорт биосферы, ее регулирующее и оздоровительное устройство. Среди них нетникого лишнего или незначительного: биосфера — тонко сбалансированная система.

В неживой природе каждая замкнутаясистема сама по себе приходит в равновесное состояние: реки текут к морю, камнискатываются с гор, выравниваются вследствие диффузии концентрации веществ...

Живые организмы поддерживают биосферув неравновесном состоянии. Они выполняют работу против силы тяжести, переносятвещества против направления стока и против градиента концентрации. Только живыеорганизмы способны улавливать рассеянную в окружающем пространстве энергиюэлектромагнитного поля и консервировать ее в виде внутренней энергии веществсамих организмов.

Эволюция биосферы

Структура биосферы, характер иинтенсивность биотического круговорота изменялись в ходе эволюции. Учитываяпринципиальную важность круговорота, В.И.Вернадский утверждал, что на Земле ссамого начала могло существовать лишь некоторое сообщество различающихсяфункционально организмов.

Только сообщество, состоящее изфункционально разнообразных организмов, может осуществлять циклическиепроцессы, необходимые для того, чтобы оставаться стабильным в биогеохимическом смысле.

Выживание сообщества возможно лишь втом случае, если его деятельность в течение достаточно продолжительного временине приводит к нарушению внешних условий. Иначе это ведет к сукцессии,последовательной смене стадий в развитии. Нечто подобное наблюдается в историибиосферы, которую можно сопоставить с термодинамически ориентированнойсукцессией.

Сбалансированный цикл можетсуществовать лишь в трофически организованном сообществе, которое создаетсякооперативной деятельностью разнородных организмов и подчиняется, как в целом,так и в частях, термодинамической необходимости.

Кооперативное микробное сообществобыло первоначальным и обеспечило устойчивость биосферы. Растительный и животныймир встроились в систему, созданную микроорганизмами.

Саморазвитие происходило внутритрофической пирамиды с появлением все новых возможностей. В уже сложившиесясистемы включались новые.

Таким образом, кооперация лежит воснове трофической пирамиды сообществ, а конкуренция служит механизмом тонкойрегулировки в системе (Заварзин Г.А. Анти-Рынок в природе. Природа, 1995, 3).

В качестве первичных продуцентов наЗемле выступали одноклеточные прокариоты, осуществлявшие фотосинтез ихемосинтез. В течение примерно 2 млрд. лет прокариоты изменили состав атмосферы- снизилось содержание углекислого газа и возросло кислорода и азота.

С этого момента в составе биосферывозникают эукариоты — водоросли, грибы и простейшие животные, сначалаодноклеточные и колониальные, а затем и многоклеточные высшие растения иживотные.

Ресурсы биосферы

Природные ресурсы — компонентыокружающей человека естественно среды, используемые для удовлетворенияматериальных и культурных потребностей общества. Растительные и животныересурсы, почва, пресная вода, чистый воздух относятся к возобновимым ресурсам.Их возобновляемость обусловлена деятельностью биосферы и, следовательно, объемили интенсивность их использования зависит от скорости их возобновления, чтозависит от состояния биосферы. Ресурсы биосферы являются ограниченными.

Пределы устойчивостибиосферы

Использование ресурсов биосферыприводит к нарушению ее структуры и изменению процессов, в ней протекающих.Поскольку биосфера способна к саморегуляции, она до известных пределовсохраняет устойчивость. Выход за эти пределы приводит к необратимым изменениям,которые в некоторых случаях могут быть желательны для человека, но большейчастью опасны. Особенно опасны необратимые изменения глобального характера,которые могут привести к экологической катастрофе. В этом случае существованиечеловечества может оказаться невозможным, либо оно может протекать в крайненеблагоприятных условиях.

Биопродуктивностьбиосферы

Продуктивность биосферы представляетсобой биомассу, производимую различными экосистемами, составляющими биосферу.

Продуктивность суши в сухоморганическом веществе составляет: -171,54 млрд. т/год, морей и океанов — 60млрд. т/год.

На материках большую часть продукциидают леса, в океанах — зоны апвеллинга (подъема глубинных вод) и материковыеотмели холодных морей.

Питание людей в основномобеспечивается сельскохозяйственными культурами, выращиваемыми лишь на 10процентах площади суши. На этой площади выращивается 8,7 млрд. т органическоговещества, которое содержит около 3,5 х1016 ккал, из них на питание расходуется2,29 х 1015 ккал.

Пастбища обеспечивают кормом около 3млрд. голов скота, и годовая продуктивность оценивается в 0,29 х 1015 ккал.

По данным 1963 г. (Дювиньо и Танг,1973), реальные запасы продовольствия достигали 2,6 х 1015 ккал; на Земленасчитывалось 3,11 млрд. людей, потребность которых в питании составляла 2,7х1015 ккал, что превышает продуктивность биосферы.

Ресурсы биосферы идемографические проблемы

Рост населения существенно влияет нарост загрязнения природной среды и истощение природных ресурсов. С 1650 годачисленность населения Земли растет по экспоненциальному закону (1650 г. — 545млн., 1840 г. — 1 млрд., 1930 г. — 2 млрд., 1962 г. — 3 млрд., 1971 г. — 4млрд., 1987 г. — 5 млрд.)

На 1994 год на Земле проживало 5,5млрд. человек. К 2000 году ожидается 6 млрд., из них 56% — в Азии, 25% — вАфрике, 11% — в Латинской Америке, 8% — в Европе и 3% — в Северной Америке. Врезультате можно ожидать усиления экологических противоречий в странах Азии,Африки и Южной Америки. Но это не значит, что Европа будет свободна от экологическихпроблем. В большинстве европейских стран либо уже наблюдается перенаселенность,либо они близки к этому состоянию.

В сентябре 1994 г. в Египтесостоялась международная конференция по проблеме перенаселенности планеты.Конференция показала, что восточные религии и католичество по-прежнемувыступают против регуляции численности населения.

Большинство религий — если не все — дают изначальную установку на многодетность. Эта традиция уходит вдоисторические времена, когда высокая плодовитость была призвана компенсироватьвысокую смертность.

Наиболее “спокойно” к проблемерегуляции относится буддизм с его проповедью отречения от земных соблазнов ипоощрением безбрачия; в то же время его осуждение противозачаточных средствкосвенно содействует высокой рождаемости.

Индуизм поощряет высокуюплодовитость, но особенно усердствует в этом ислам, официально разрешающийполигинию. В христианстве высокая плодовитость была в большей степенисвойственна католикам, в меньшей — протестантам. В настоящее время среди христианскихнародов демогра фическое поведение определяется другими факторами.

В истории известны случаи, когдадемографическая политика была средством борьбы различных религиозных илиэтнических общностей за свое самоопределение. Например, в 16 веке в Нидерландахпротестантов было больше, чем католиков. В 19 и особенно в 20 веке средикатоликов велась кампания за высокую рождаемость, и перед второй мировой войнойони стали крупнейшей религиозной общиной.

Можно ли стабилизировать численностьнаселения? (Алаев, Природа, 1991, 4).

Единственная радикальная мерастабилизации численности — сокращение рождаемости — входит в противоречие нетолько с большинством религий и традиций; вторжение в интимную жизнь часторассматривается как ущемление прав личности. Другой деликатный аспект проблемызаключается в том, что на всякого, кто выступает за сокращение рождаемости,навешивается ярлык неомальтузианца.

Ж.Дорст (1965): Демографический взрывХХ столетия по своему размаху и последствиям сравним с великими геологическимикатастрофами, которые потрясали поверхность планеты в прошлом. Увеличениечисленности населения, сопровождающееся ростом промышленности — основной фактордеградации биосферы.

Согласно последним данным, числожителей Земли, допустимое для экосферы — 10 млрд. Существует точка зрения,согласно которой мы находимся в фазе логистического роста, и численностьстабилизируется на уровне 7,5 млрд.

Антропогенные воздействияна биосферу

1) Разрушение растительного покрова — строительство, пастбища, пашня, топливо, бумага, сырье для химическойпромышленности, пожары.

2) Деградация почв — эрозия,засоление. 3) Снижение биологического разнообразия — вымирание видов. 4)Загрязнение — тепловое, акустическое (шум), химическое, радиационное,электромагнитное.

5) Изменение биогеохимических циклов- минеральные удобрения (изменение круговорота азота, фосфора, калия),пестициды и гербициды, ископаемое топливо (изменение круговорота углерода,насыщение атмосферы углекислым газом, выброс сернистого газа), кислотные дожди,разрушение озонового экрана, парниковый эффект.

6) Урбанизация, промышленные объекты,дороги, аэродромы — уменьшение площадей под естественными сообществами.

7) Туризм — прямое и косвенноеуничтожение видов, фактор беспокойства.

Экологический кризис ипути его преодоления

Под экологическим кризисом понимаетсята стадия взаимодействия между обществом и природой, на которой до пределаобостряются противоречия между экономикой и экологией, экономическимиинтересами общества в потреблении и использовании природной среды иэкологическими требованиями обеспечения охраны окружающей природной среды.

Экологический кризис распространяетсяна все страны, ставшие на путь научно-технического прогресса.

По своей структуре экологическийкризис подразделяется на два компонента: естественный и социальный.

Естественный компонент выражается вдеградации окружающей человека природной среды. Социальный компонент — выражается в неспособности государственных и общественных структур остановитьдеградацию окружающей среды, стабилизировать положение и оздоровить окружающуюприродную среду. Обе стороны тесно связаны.

Кризис государственных и общественныхструктур проявляется: 1) в недостаточно эффективной работе специальных органов,которые практически потеряли нити управления охраной окружающей природнойсреды, 2) в неспособности правоохранительных органов обеспечить надежныйконтроль и надзор за выполнением законов об охране окружающей среды и 3) вмассовом эколого-правовом нигилизме, неуважении эколого-правовых требований, внарушении или невыполнении их.

Причины экологического кризиса вбывшем СССР: 1) монополия государства в сферах эксплуатации природных ресурсов,в контроля за охраной природы и в области права; 2) направленность политикигосударства на военное противостояние, создание гигантскоговоенно-промышленного комплекса, неограниченные военные расходы, расходованиегигантских средств на поддержку прокоммунистических режимов и пр.

Деградация природной среды может бытьостановлена в результате экстренных мер экологической защиты.

Пять направлений выхода изэкологического кризиса: 1) создание экологически чистой технологии, внедрениебезотходных или малоотходных производств, совершенствование технологическихпроцессов — таково магистральное направление;

2) развитие и совершенствование экономическогомеханизма охраны окружающей среды (стимулирование, налоги и пр.), задача — сделать охрану окружающей среды частью производственно-коммерческойдеятельности, чтобы предприниматель или хозяйственник был заинтересован вохране окружающей среды;

3) административно-правовоевоздействие с целью повышения экологической дисциплины;

4) экологическое просвещение — развитие системы экологического образования, воспитания, перестройкапотребительского отношения к природе, экологическая революция в мышлениичеловека;

5) международно-правовое направление.Препятствия на пути выхода из экологического кризиса: слабость экономики, еекризисное состояние; отсутствие экономических рычагов воздействия на охрануприродной среды;

низкий уровень нравственности в сферепринятия решений.

Принципы рациональногоприродопользования

Рациональное природопользование естьсистема деятельности, призванная обеспечить экономную эксплуатацию природныхресурсов и условий и наиболее эффективный режим их воспроизводства с учетомперспективных интересов развивающегося хозяйства и сохранения здоровья людей.Такое природопользование не приводит к резким изменениям природно-ресурсногопотенциала и не ведет к глубоким переменам в окружающей человека природнойсреде, наносящим урон его здоровью или угрожающим самой его жизни. Онопредполагает максимально полное извлечение из природного ресурса всех полезныхпродуктов с нанесением наименьшего вреда отраслям хозяйства, базирующимся натом же ресурсе, и состоянию природной среды, необходимой для жизни иподдержания здоровья человека.

Охрана природы

Охрана природы — мероприятия посохранению глобальной системы жизнеобеспечения че ловечества на условнобесконечный срок.

1) совокупность международных,государственных, региональных и местных административно-хозяйственных,технологических, политических, юридических и общественных мероприятий,направленных на сохранение, рациональное использование и воспроизводствоприроды Земли и ближайшего к ней космического пространства в интересахсуществующих и будущих поколений людей;

2) система мер, направленных наподдержание взаимодействия между деятельностью человека и окружающей природнойсредой, обеспечивающих сохранение и восстановление природных ресурсов,предупреждающих прямое и косвенное результатов деятельности общества на природуи здоровье человека.

Основными принципами охраныокружающей природной среды являются: приоритет охраны жизни и здоровья; научнообоснованное сочетание экологических и экономических интересов;

рациональное использование и воспроизводствоприродных ресурсов; законность и неотвратимость наступления ответственности заэкологические правонарушения;

гласность в работе экологическихорганизаций и тесная связь их с общественными объединениями и населением врешении природоохранительных задач;

международное сотрудничество в сфереохраны окружающей природной среды.

Экология человека

1) комплексная дисциплина,исследующая общие законы взаимоотношения биосферы и ее компонентов иантропосистемы, влияние природной (а в ряде случае и социальной) среды начеловека и группы людей;

2) экология человеческой личности;

3) экология человеческих популяций, втом числе учение об этносах. Экология человека включает каксоциально-психологические и этологические отношения людей между собой, так иотношение людей к природе, т.е. представляет собой комплекснуюэколого-социально-экономическую отрасль знания, где все социальные,экономические и природные условия рассматриваются как одинаково важныесоставляющие среды жизни человека, обеспечивающие разные стороны егопотребностей.

Социальная экология

1) научная дисциплина,рассматривающая взаимоотношения в системе “общество- природа”: изучающаявзаимодействия и взаимосвязи человеческого общества с природной средой иразрабатывающая научные основы рационального природопользования, которыепредполагают охрану природы т оптимизацию жизненной среды человека.

Главная задача социальной экологии — изучение закономерностей взаимодействия человеческого общества и его отдельныхтерриториальных групп с природой и проектирование на этой основе новойприродно-окультуренной среды.

2) исследование поступков людей ивоздействия этих поступков на других людей через их восприятие исоциально-психологическую личностную и коллективную оценку человеческихвзаимоотношений на фоне объективных свойств среды жизни и реактивностичеловеческого организма, например, уклада жизни в районе новостроек, реакций ихжителей в сравнении гигиенических условий прежнего жительства с рассматриваемойновостройкой.

Факторы экологического риска и здоровьечеловека. Фактор риска — 1) любое воздействие, способствующее возникновениюзаболевания (например, курение по отношению к раку легкого), вообще отклонениюот состояния здоровья (мед.); 2) мера несоответствия между разными возможнымирезультатами принятого решения (при условии, что вероятность совокупностирезультатов известна или может быть определена).

Следует учитывать, что вприродопользовании фактически нет детерминированных задач с единственнымрезультатом выбранной стратегии и очень велико количество неопределенных задач,где результаты избранной стратегии непредсказуемы (лишь вероятны).

При выборе стратегии с минимумомфактора риска следует стремиться к максимальной вероятности получения тех илииных результатов и наивысшей степени их полезности. Эти сведения можно получитьиз прошлого опыта, научного эксперимента, многовариантного моделирования илизнания хода процесса (например, сукцессии).

Лишь сочетание максимальнойвероятности полезного эффекта при уверенности в отсутствии иной, лучшей стратегиидостижения той же цели с экспериментальным доказательством оптимальностипринятого решения дает право пренебречь фактором риска. В силу принципанеопределенности он неустраним полностью. Фактор риска очень высок вэкологическом планировании, экологическом обосновании проектов и экологическойэкспертизе.

Деградация окружающей природной средыпрежде всего сказывается на здоровье человека и состоянии генофондачеловечества.

Более 20% территории России находитсяв критическом экологическом состоянии, в районе зон экологического бедствия.Более 70 млн. людей дышит воздухом, опасным для здоровья. Сокращаетсярождаемость и увеличивается смертность населения. Средняя продолжительностьжизни менее 70 лет, что на 8-10 лет меньше, чем в 44 развитых капиталистическихстранах. Каждый 10-й ребенок рождается генетически неполноценным. У 45%призывников выявлены нарушения психики. Каждая четвертая женщина не можетродить здорового ребенка по генетическим причинам. Каждый четвертый мужчина — импотент.

Антропоцентризм, биоцентризми решение социальных проблем

“И сказал Бог: сотворим человека пообразу Нашему (и) по подобию Нашему, и да владычествуют они над рыбамиморскими, и над птицами небесными, (и над зверями), и над скотом, и над всеюземлею… И благословил их Бог, и сказал им Бог: плодитесь и размножайтесь, инаполняйте землю, и обладайте ею...” (Бытие, I: 26, 28).

В строках из Библии — суть иобоснование антропоцентризма. Сущность биоцентризма заключается в следующем.Человек есть часть Живой Природы, которая является условием Его существования.Он — один из результатов ее эволюции. Его дальнейшее развитие возможно лишь приусловии, что это развитие не угрожает существованию Живой Природы, которой,таким образом, принадлежит приоритет.

Решение социальных проблем должнобыть основано на принципе гармоничного сосуществования Социума и Биосферы, илииначе — осуществляться на принципах коэволюции.

Пути развития экономики,не разрушающей природу

Экологизация научно-техническогопрогресса должна обеспечить возможность согласованной эволюции природы иобщества (принцип коэволюции).

Вхождение человечества и егохозяйства в глобальные и региональные биогеохимические циклы с поддержаниембаланса на всех уровнях строения биосферы Земли.

Экономное использованиеэнергетических ресурсов, уменьшение расходов энергии на единицу приростапродукции, получение энергии только от “чистых” источников, главным образом,солнечных, переход к мелким энергоустановкам — солнечным домам, малым ГЭС,транспортным средствам на солнечных батареях и пр.

Изменение системы коммуникаций,аудио- и видеосвязь вместо личных контактов, вместо автомобиля и самолета;способа накопления и передачи информации — миниатюрные носители вместо книг игазет (выпуск одной крупной газеты ежедневно требует уничтожения около 150 галеса).

Ресурсоэкономное производство,условно замкнутые и каскадные технологии, сводящие до минимума объем отходов.

Получение сельскохозяйственнойпродукции индустриальными методами, главным образом, в закрытом грунте; заменахимических средств борьбы с вредителями биологическими методами. Реймерс Н.Ф.Экология (теории, законы, правила, принципы и гипотезы). М.: Россия молодая,1994 — 367 с.

Экологическое право

Развитие экологической функциигосударства и права приводит к формированию новой правовой общности, котораяполучает название экологического права.

Исторически система правовогорегулирования взаимодействия общества и природы подразделяется на четыре этапа:гражданско-правовой, земельный, земельно-ресурсный и экологический.

Экологическое право обладает всеминеобходимыми признаками, которые характеризуют самостоятельные отрасли системыправа.

Предметом экологического праваявляются общественные (экологические) отношения в области взаимодействияобщества и природы.

Методы экологического права — способывоздействия на общественные отношения: административно-правовой (исходит изотношений власти и подчинения) и гражданско-правовой (основан на экономическихинструментах регулирования).

При административном методерегулирования господствуют запретительные, предупредительные, управомочивающиенормы. Вместе с тем, в нынешних условиях все большее значение начинаетприобретать экономический способ воздействия: влияние на охрану окружающейсреды через материальный интерес. Содержание этого метода умещается в рамкахгражданско-правового способа воздействия.

Таким образом, на современном этапеправовое регулирование со стороны экологического права представляет собойсовокупность способов, сочетающих экономические методы садминистративно-правовыми средствами. Такое сочетание реализуется через системунормативов, через экологизацию хозяйственно-правового и смежных отраслейзаконодательства, установление политических, экономических, юридическихгарантий исполнения эколого-правовых требований. (Петров В.В. Экологическоеправо России. М., 1995).

Что мы можем сделать длясохранения жизни на Земле

Человечество — часть биосферы.Отступление от законов развития биосферы грозит гибелью человечеству. Чтобывыжить, нам следует изменить образ жизни, переоценить свои потребности. Нужнозаменить стихийный процесс развития общества разумной общепланетарнойстратегией выживания, в основе которой лежит принцип коэволюции (совместного исопряженного развития) биосферы и цивилизации.

Разработка и реализация стратегиивыживания потребуют создания соответствующей научной программы, объединяющейусилия естественных и гуманитарных наук. Сейчас — главное, чтобы люди осозналинеобходимость создания и осуществления такой программы.

Стратегия выживания должна перерастив стратегию устойчивого развития. Эта стратегия будет касаться всех сфер жизниобщества — технического развития, культуры, образования, формирования новойнравственности. Она потребует изменения системы общественных отношений спересмотром шкалы ценностей. Потребуется создание также новой экономическойнауки, усиление роли государственного начала в управлении рыночной экономикой,пересмотр механизма ценообразования с учетом ущерба, наносимого последующимпоколениям.

Основным элементом стратегии долженстать принцип планирования семьи. Если население планеты будет расти, тоникакими мерами не удастся избежать экологической катастрофы.

Стратегия будет основываться надальнейшем развитии науки и образования, так как только по настоящемуинтеллектуально развитое общество может выйти на режим коэволюции.

Процветание человечества возможнотолько в условиях процветающей биосферы. Человечество должно приспосабливатьсамое себя, свои потребности, свои общественные институты, социальнуюорганизацию к требованиям, которые предъявляет нам развивающаяся биосфера.

Человек, биосфера икосмические циклы

Повторяемость в ходе и развитииприродных процессов выражается в ритмичности приливов и отливов, смене дня иночи, времен года, оледенений и отступлений ледников, колебаний уровня Мировогоокеана, горообразований, расцвете и вымирании видов, и цикличности Солнечнойактивности и колебаний урожая пшеницы, уловов сельди, интенсивности ростадеревьев, эпидемий холеры, чумы, гриппа, смертности от инфарктов, нашествиягрызунов, саранчи, появления комет, падения метеоритов, вспышек новых исверхновых звезд.

Архивные материалы с точностьюпоказали, что с 1735 по 1969 год наибольшее количество рысьих шкур и уловаатлантического лосося повторяется через 9,6 года. Пик численности канадскихсов, зайцев, куниц наблюдается с такой же периодичностью. Такие же интервалыхарактерны для урожая пшеницы в США и сердечных заболеваний в Новой Англии.

Оказалось, что в течение двухсот летв США колебания цен на хлопок образуют регулярные циклы в 17,75 года.

Указатель крупных сраженийсвидетельствует о цикле в 11,2 года. Швейцарский астроном Р.Вольф нашел точноезначение периода Солнечной активности — 11 и 1/9 года. Установлена связь этойпериодичности с цикличность погодных явлений: температуры и давления воздуха,количества осадков и уровней рек и озер, динамика циклонов, ураганов, смерчей,бурь.

В большинстве районов мира особенножестокие засухи повторяются с интервалом около 22 лет. (При переходе от одного11-летнего цикла к другому полярность магнитного поля пятен в обоих полушарияхСолнца меняется на противоположную, в связи с чем по изменению магнитного поляустанавливается 22-летний цикл.

Основатель гелиобиологииА.Л.Чижевский отмечал около трех десятков феноменов в органическом мире Земли,изменчивость которых во времени тесно связана с изменениями солнечнойактивности.

Возможной причиной солнечной цикловможет быть влияние планет. Их обращение влияет на поверхность Солнца примернотак же, как притяжение Луны вызывает приливы и отливы не только в океане, но ив твердой оболочке Земли.

В 1965 году американский астрономП.Джозе отметил, что центр тяжести Солнечной системы не совпадает с центромСолнца. Следовательно, Солнце должно обращаться вокруг центра Солнечной системыс периодом 178,77 года. В результате вращения планет центр тяжести Солнечнойсистемы непрерывно смещается, а Солнце неустанно стремится к нему. В результатенесогласованных действий планет Солнце испытывает рывки, которые должныприводить к возникновению вспышек на Солнце и образованию пятен. Прогнозы,основанные на этой схеме, оказались поразительно точными.

Уже в глубокой древности былозамечено, что время наступления приливов связано с положением Луны нанебосводе, а их сила — с ее фазами.

Луне нужен почти месяц, чтобысовершить один оборот вокруг Земли. И дважды за это время Луна, Земля и Солнцеоказываются почти на одно прямой. Тогда приливные волны от Солнца и Луныскладываются и приливы бывают максимальными. А дважды в месяц, когда Солнце иЛуна расположены по отношению к Земле почти под прямым углом, приливыминимальны, так как солнечный прилив вычитается из лунного, как бы частично егогасит.

Но Луна и Земля вращаются не покруговым, а по эллиптическим орбитам. Когда Луна находится в Земле ближе всего,в точке перигея, лунный прилив усиливается на 40 процентов.

Наклон плоскости лунной орбиты поотношению к плоскости орбиты Земли изменяется, и каждые 18,6 года эти плоскостисовпадают, а прилив усиливается. При таком положении солнечные и лунныезатмения случаются гораздо чаще. В Древнем Египте тайна цикличности солнечныхзатмений была разгадана и период 18,6 года был назва “Сарос”. Это позволилоегипетским жрецам предсказывать наступление затмений с большой точностью.

Через каждые 1800-1900 лет Луна,Земля и Солнце входят в полосу “свехсароса”. В это время не толькосовпадаюторбиты Луны и Земли, но Луна находится на своей орбите ближе всего кЗемле, а Земля ближе всего к Солнцу. И тогда наступает эпоха наиболее сильныхприливов.

Таким образом, приливы дают примермногослойной ритмичности с полусуточным, двух недельным, 18,6-летним и с1850-летним периодами. Но что любопытно, с такими же периодами на Землепроисходит множество других повторяющихся природных процессов.

С 1850-летним периодом наступают иотступают горные ледники в связи с изменением увлажненности, цветущие оазисыпревращались в пустыни, а другие погребались ледниками.

Показано, что гораздо более частоземлетрясения происходят в дни новолуния или полнолуния, когда Луна, Земля иСолнце находятся на одной прямой.

Ритмичность изменяется: На протяжениигода Земля вращается неравномерно — в августе сутки самые короткие, в марте — самые длинные.

Продолжительность года возрастает,так скорость вращения Земли вокруг оси постепенно замедляется вследствиеприливных эффектов.

Луна движется по слегкараскручивающейся спирали, все более удаляясь от Земли.

Чем все это закончится? Ответ на этотвопрос дал сын Ч.Дарвина -Д.Дарвин. Он рассчитал, что “раскручивание” ЛуныЗемлей будет продолжаться до тех пор, пока период оборота Земли вокруг оси несравняется с периодом вращения Луны вокруг Земли. Произойдет это через многомиллионов лет и тогда сутки на Земле будут длиться 1320 часов (или 1200 часов — по уточненным расчетам) — столько же, сколько и лунный месяц, а Луна станетвидна только одному полушарию Земли.

Солнце находится недалеко отплоскости симметрии нашей Галактики и, двигаясь со скоростью 240 км/сек,совершает один оборот вокруг центра Галактики примерно за 200 млн лет. Этотпериод называется галактическим годом.

В ходе галактического года Солнцепопадает в области с разной концентрацией звезд и, кроме того, находится тоближе, то дальше от центра Галактики. Все это должно сильно отражаться наактивности Солнца, создавая мегаритмы, которую мы непосредственно заметить неможем.

Геологи установили, что наиболеесерьезные изменения на Земле происходили с периодом 180-200 млн лет: крупнейшиеэпохи горообразования, вымирание больших групп фауны и флоры, трансгрессии ирегрессии океана, резкие климатические изменения.

Таким образом, от осознания и изучениямеханизмов глобальной взаимосвязи природных процессов мы переходим к пониманиювзаимосвязей в космических, галактических масштабах. Изучение ритмичностиприродных процессов позволит прогнозировать события катастрофическогохарактера.

Литература

1. Аксенов Г.П. Мирпо Вернадскому/ Природа, 1992, 5

2. Алаев Э.Б.Решение демографической проблемы, или бег на месте/ Приро да, 1991, 4

3. Беккер А.А.Воздух Москвы. Природа, 1993, 8

4. Бибиков Д.И.Волк: и хищник, и жертва. Природа, 1996, 10

5. Биосфера, климат,ресурсы — что нас ждет?/ Природа, 1990, 7

6. Василенко И.Я.Биологическая опасность продуктов ядерного деления/Природа, 1995, 5

7. Виноградов М.Е.,Шушкина Э.А. Биологическая продуктивность океана. Природа, 1996, 7

8. Воздействиечеловека на космос/ Природа, 1992, 8

9. Н.Н.Воронцов,Л.Н.Сухорукова. Эволюция органического мира. М.: Наука, 1996

10. В поискахглобальной стратегии выживания (Встреча за круглым столом в

11. СоветеФедерации). Природа, 1996, 1

12. Географияэкологических ситуаций. Природа, 1993, 11

13. Глазовский Н.Ф.Аральский кризис/ Природа, 1990, 10, 11

14. Дайсон Ф. Векдвадцать первый/ Природа, 1991, 4

15. ДобровольскийГ.В., Куст Г.С. Деградация почвы — “тихий кризис плане ты”. Природа, 1996, 10

16. Дольник В.Р.Существуют ли биологические механизмы регуляции числен ности людей?/ Природа,1992, 6

17. И вновь об Арале/Природа, 1991, 10

18. Кароль И.Л.Атмосферный озон: современное состояние проблемы. Природа, 1993,5

19. КонстантиновВ.М., Хохлов А.Н. Птицы на городских свалках/ Природа, 1991, 6

20. Корякин Ю.И.Сколько стоит Чернобыль/ Природа, 1990, 10

21. Красилов В.А.Всемирная стратегия охраны природы на 90-е годы/ Приро да. 1992

22. Международныеэкологические конвенции/ Природа, 1992, 12

23. Миркин Б.М. Устойчивыеагросистемы: мечта или реальность. Природа, 1994, 10

24. Нельсон М. и др.“Биосфера-2”. Природа, 1993, 10

25. Никитин А.И.Современная репродуктивная стратегия/ Природа, 1991, 5

26. Ничипорович А.А.Человек как участник жизни на Земле/ Природа, Паршенков С.А. Промышленныезагрязнения/ Природа, 1991, 5

27. Последствияглобального потепления/ Природа, 1992, 12

28. Постнов К.А.Земное эхо космических катастроф. Природа, 1996, 6

29. Проблемы города.Природа, 1993, 2

30. Проблемы города.Природа, 1993, 6

31. Прохоров Б.Б.Жизненная среда горожан. Природа, 1993, 3

32. Прошлое длябудущего. Международный симпозиум “Эволюция экосистем”. По страницам тезисов.Природа, 1996, 2

33. Пуляркин В.А.,Власова Т.К. Агроресурсы и продовольственная проб лема/ Природа, 1991, 7

34. Ростоцкий С.Б.Экологические проблемы на карте мира/ Природа, 1992, 6

35. Рютов Д.Д.Солнечная энергетика и тепловое загрязнение атмосферы/ При рода, 1990, 2

36. Скворцов А.К.Многообразие живого мира Земли и проблемы его сохране ния. Природа, 1996, 6

37. Следы Чернобыля вприродной среде/ Природа, 1991, 5

38. Солнце и Земля.Природа, 1994, 9

39. Сывороткин В.Л.Дегазация Земли и разрушение озонового слоя. Природа, 1993, 9

40. Федонкин М.А.Биосфера: четвертое измерение/ Природа, 1991, 9

41. Четыре года послевзрыва (Чернобыль)/ Природа, 1990, 11

42. Эйнор Л.О.Экологическая очистка воды/ Природа, 1992, 9

Тема2.4. Основные концепции и перспективы биологии

Представления о сущности жизни сдревнейших времен до наших дней. По преданию первым стал вскрывать животных,чтобы описать увиденное, Алкмеон (VI в. до н.э.) и наблюдал за развитиемкуриного эмбриона.

В телах природы Аристотель выделяетдве стороны: материю и форму. Форма — причина и цель превращений. Принципразвития есть душа. Существуют души трех родов:

1) питающая,

2) чувствующая и

3) разумная.

Аристотель выделил 4 царства природы:

1 — неодушевленное — существует

2 — растительное — существует,размножается

3 — мир животных — существует,размножается, двигается

4 — мир человека — существует,размножается, двигается и мыслит

Наблюдая за эмбриональным развитиемживотных, Аристотель обнаружил, что это развитие является направленным ицелесообразным. В результате он формулирует принцип энтелехии, согласнокоторому природа есть “самореализующаяся целесообразность”, а причиной развитияявляется внутренняя цель. Это вывод справедлив для процессов индивидуальногоразвития живых существ и не противоречит современной генетике развития.

Энтелехия Аристотеля не бессмертна. Онане существует вне тела. Так как тело смертно, то и душа смертна.

Согласно Эпикуру, душа, как и всетела природы, тоже состоит из атомов и вне тела не существует. Нет мировогоразума, все в природе происходит по естественным причинам. Счастье состоит в наслажденияхдуховных и материальных и его следует искать в земной жизни, так какпотусторонней жизни не существует.

Клавдий Гален (130-200), врач, анатоми физиолог полагал, что каждый орган человеческого тела был создан богом внаиболее совершенной форме и в предвидении той цели, для достижения которойэтот орган предназначен. Таким образом, целесообразность живого получаеттеологическое объяснение.

Теология определяет и средневековыевоззрения на природу. Мир создан богом, он — реальное воплощение его идей. Еслидля человека античной эпохи природа — действительность, то для средневекового — лишь символ божества. Помимо этого несовершенного мира вещей существует миртрансцендентный.

По Декарту (1596-1650) существуют двесамостоятельные, независимые друг от друга субстанции: материальная с атрибутомпротяженности, и духовная с атрибутом мышления. Оба начала подчинены третьему — богу. Природа, в том числе живая, огромный механизм. Организмы — автоматы,машины. Психические функции — реакции таких механизмов на внешние воздействия.Человек отличается наличием духовной субстанции, образующей разумную душу.

Лейбниц (1646-1716) также считал, чтомир физический и мир психический автономны, но находятся в гармонии, причинойкоторой есть Бог.

Спиноза (1632-1677) утверждал, чтоПрирода не знает цели. Она существует по необходимости. Нельзя спрашивать, длячего существуют вещи, можно спрашивать, почему они существуют так, а не иначе.

И все же для каждого думающегочеловека вопрос “для чего” актуален, интересен, имеет смысл и нуждается вответе.

В 17-18 веках живые организмырассматривались по аналогии с механизмами. У Ламеттри этот подход отражен вназвании его книги “Человек-машина” (1747). Гораздо позднее В.Ру (1850-1924) всвоей книге “Механика развития” утверждал: организм — механическая сумма егочастей.

Так сформировалось направление вестествознании, которое получило название механицизм. Механицизм заключается встремлении все явления жизни объяснить законами механики.

В 19 веке появляется критическоеотношение к механицизму: жизнь не может быть понята с точки зрения действиямеханизмов. Организм есть целостность, а не конгломерат частей.

Кант (1724-1804) приходит к выводу,что жизнь и ее законы принципиально непознаваемы, специфичность явлений жизнидает опору телеологии, а следовательно, и религии; жизнь является прекраснымпримером непознаваемой “вещи в себе”.

Гегель (1770-1831): природа естьпродукт абсолютного духа, находящегося в процессе диалектического саморазвития.Развиваясь, абсолютный дух обнаруживает себя, становится природой. Поднявшисьдо той ступени развития, которая называется человеком, всемирный духвозвращается к самопознанию. Природа есть неполное отображение духа. Человек — высшая форма, в которой проявляется абсолютный дух. В организме идея полагаетсебя как цель, и только понятие цели раскрывает сущность органического.

По крайней мере три положения здесьне вызывают сомнения: саморазвитие, самопознание и целесообразность.

По Гете (1749-1832) вопрос о цели,вопрос “зачем” — не научен; значительно дальше продвигает нас вопрос как. Такимобразом, Гете ставит вопрос о причинном объяснении и происхождениицелесообразности органического мира.

Шеллинг (1775-1854) говорил онеобходимости физико-химического объяснения жизни. Однако сущность жизни, поего мнению, необъяснима на этом пути.

Спенсер (1820-1903): “… жизнь, какдеятельное начало, неизвестна и не может быть познана… Хотя ее проявления идоступны нашему пониманию, но проявляющаяся в них сущность не может бытьпостигнута мыслью”. По мнению Спенсера, “жизнь можно определить как постоянноеприспособление внутренних отношений к отношениям внешним”, причем живоеотличается от неживого целесообразной реакцией на воздействия внешних условий.

В середине 19 века немецкий физикР.Клаузиус пришел к выводу:”Энтропия Вселенной стремится к максимальномузначению”. Это означает, что во Вселенной имеется тенденция кнеупорядоченности, т.е. к состоянию равновесия, при котором все дальнейшиеизменения устраняются.

В мире живых организмов этого непроисходит. В течение миллиардов лет эволюции наблюдается постепенноеусложнение организации. Живым существам присуща пространственная ифункциональная организация, которую они способны поддерживать.

Г.Дриш (1908): органическое целоебольше суммы его частей, после сложения частей обнаруживается некий остаток, вкотором как раз и заключена сущность жизни, не улавливаемая путем рассмотренияорганизма как механической системы (Дриш использует понятие “энтелехии”,которая означает способность образовывать форму, которая отлична от материи).

В работах Дриша в наиболее полнойформе проявился витализм, в основе которого лежит принцип несводимости явленийжизни к силам и законам неорганического мира. Витализм утверждает, что в живыхтелах присутствует особый фактор, которого нет в неживом, например, жизненнаясила, душа и т.п.

Сильной стороной витализма былакритика механистических представлений о биологической причинности. Рядфеноменов, которые витализм считал специфическими для биологических объектов(способность к саморегуляции, усложнение строения, достижение одного результатаразными способами) рассматриваются в современном естествознании как типичныепроявления процессов самоорганизации любых достаточно сложных систем, а нетолько живых.

Н.Бор: “ни один результатбиологического исследования не может быть однозначно описан иначе как на основепонятий физики и химии”, но с другой стороны, жизнь есть “основной постулатбиологии, не поддающийся дальнейшему анализу”. Физико-химические методыоказываются дополнительными по отношению к биологическим, они не противоречатдруг другу, но оказываются принципиально несовместимыми, взаимоисключающими.

С этим согласен выдающийся генетик иэволюционист ХХ века Т.Добжанский: молекулярная и организменная биологиядополнительны.

Э.Шредингер: “Что такое жизнь? Сточки зрения физика” (1972) -предпринял попытку с помощью методов новой физикиописать явления жизни. Г.Меллер и Дж.Б.С.Холдейн, критикуя ряд положенийШредингера, отмечают плодотворность его идей и подходов для биологии, изученияфизико-химических основ жизни.

Л.Берталанфи (1901-1972) поставилзадачу обосновать понимание жизни, которое — в противоположность механицизму — улавливает органическую целостность, однако — в противовес витализму — делаетее доступной естественнонаучному изучению (жизнь есть системное свойство).

И.Пригожин: постановка биологическойпроблемы подверглась изменению как в связи с собственным развитием биологии,так и в связи с нынешним обновлением физики. Цель: объяснить, каким образомзакономерный и беспорядочный мир физики может создавать биологический порядок.В 1977 году Пригожин получил Нобелевскую премию за работы в областисамоорганизации необратимых процессов.

(И.Т.Фролов. Жизнь и познание. М.:Мысль, 1981.) Вместе с теорией самоорганизации складывается новая парадигма вестествознании, которая предполагает выявление оснований нелинейных моделей иконцепций не только в физике, но и в биологии. Нелинейные модели предполагаютвключение временных параметров в исследование.

Классическая физика основывалась наметодологическом принципе суперпозиции, т.е. на предположении, согласнокоторому результирующий эффект сложного процесса воздействия представляет собойсумму эффектов, вызываемых каждым воздействием в отдельности и не влияющих другна друга.

Современная физика все более и болееимеет дело с нелинейными системами, где принцип суперпозиции уже не действует(например, в теории тяготения Эйнштейна, в теории колебаний, в нелинейнойоптике, нелинейной акустике, в нелинейных теориях поля).

Биология же с самого начала имела делос нелинейными системами, построенными совершенно иначе, чем суммативныесистемы, где каждый отдельный эффект опосредован целостностью организма,популяции, биосферы, а результирующий эффект не может быть представлен вкачестве суммы эффектов, вызываемых каждым воздействием в отдельности,поскольку каждое из них сопряжено с целым. (Биология в познании человека. М.:Наука, 1989).

Т.Уотермен: о необходимости синтеза“новой” и “старой” биологии. Если такой синтез удастся осуществить, то мы можемпредсказать, что за веком физики в науке последует век биологии — векграндиозной революции в науке о живом, в котором понимание жизни, роста,эволюции и самого человека с его поведением...”

Раздел 3.ЭВОЛЮЦИОННО-СИНЕРГЕТИЧЕСКАЯ ПАРАДИГМА: ОТ ЦЕЛОСТНОГО ЕСТЕСТВОЗНАНИЯ К ЦЕЛОСТНОЙКУЛЬТУРЕ

Тема3.1. От “Бытия” к “Становлению”Формированиеэволюционного естествознания. Историко-философские аспекты современнойестественно-научной картины мира

Огромен и разнообразен окружающий насмир природы. Каждый человек пытается познать этот мир и осознать свое место внем. Чтобы познать мир, мы из частных знаний пытаемся создать общее — научнуюкартину мира. Содержанием ее являются основные идеи наук о природе,определяющие стиль научного мышления на данном этапе развития науки и культуры(!)

В каждый период развития человечестваформируется научная картина мира, которая отражает объективный мир с тойточностью и адэкватностью, которую позволяют достижения науки и практики. Крометого, картина мира содержит гипотезы и предвидения.

Ядром естественно-научной картинымира служит картина мира лидирующей на данном этапе развития науки.

Начало развития научных представленийо мире восходит к VII-VI вв. до н.э. В это время природа исследовалась силойума, а опыты игнорировались. Научные обобщения строились на начальныхнаблюдениях, в красочных картинах мира было много наивного, часто рядом среальным отражением действительности в них уживался вымысел.

Основатель античной атомистикиДемокрит полагал, что “начала Вселенной суть атомы и пустота”. Атомы Демокритпредставлял как неделимые, плотные, непроницаемые, не содержащие в себе никакойпустоты частицы. Атомы “вихрем несутся во Вселенной и порождают все сложное-огонь, воду, воздух, землю. Демокрит и другие греческие атомисты считали, чтодвижение — вечное свойство вечных атомов. Атомы бескачественны, т.е. лишеныцвета, вкуса, запаха и т.д.

Мир в целом для атомистов — беспредельная пустота, наполненная многими мирами, число которых бесконечно.Земля одинаково удалена от всех точек области космоса, а поэтому неподвижна; вокругнее движутся звезды.

Мир — это непрерывно движущиеся атомыи молекулы. Но как связать гармонию окружающего мира с хаотическим тепловымдвижением молекул? Как возникает красота?

Джон Холл (XVII): “Если то, что мыназываем Вселенной, случайно зародилось из атомов, которые неутомимы в своемвихревом движении, то как случилось, что ты так прекрасна, а я влюблен?”

Для античных философов мир былподобен целостному организму, за многообразием его проявлений они видели некоеупорядоченное начало. Слово “космос”, вошедшее в науку того времени, означало“упорядоченность”.

У Платона идея и материя в одинаковоймере суть начала, и, хотя материя по сравнению с идеей представляет низшуюступень бытия, обе равно необходимы для создания мира. Исходя из оппозиции“идея-тело”, Платон определяет материю как “то, в чем” возникает чувственноеподобие умопостигаемого образца. В “Тимее” картина вечно сущего умопостигаемогокосмоса как парадигмы (образца) для вечно становящегося чувственновоспринимаемого космоса дополняется фигурой ума-демиурга, объединяющего обамира с помощью мировой души (ФЭС, 1983).

Мир Аристотеля состоит из пяти стихий(+ эфир). Эфир заполняет все пространство, он вечен, не меняется и непревращается в другие элементы.

Вселенная Аристотеля конечна, ее ничтоне объемлет, вне ее находится только перводвигатель — бог. Бог Аристотелябезличный, он есть чистый деятельный разум.

Основное положение механикиАристотеля: “Движущееся тело останавливается, если сила, его толкающая,прекращает свое действие...” Аристотель не увидел проявления инерции вокружающем мире и заставил бога денно и нощно вращать небосвод.

Плотин (204/205-270) толкует Платонаи на основе ряда платоновских текстов строит некое подобие системы. Чувственныйкосмос противопоставляется умопостигаемому, посредствующим звеном между нимипризнается мировая душа. Новым у Плотина явилось учение о первоначале всегосущего, едином, которое само выше сущего. При этом последовательность ум -душа- космос, т.е. вся сфера бытия оказывалась только проявлением, осуществлениемпервоначала, тремя его ипостасями: ум и душа — осуществление единого ввечности, космос — во времени.

Материя у Плотина — бестелесныйнеаффицируемый субъект. Материя провоцирует высшее к переходу в низшее. Она — зеркало, отражаясь в котором высшее порождает низшее в качестве своего подобия.

Универсум Плотина статичен. Всякаянизшая ступень в нем рождается от высшей, причем высшая вечно остаетсянеизменной и, порождая, не терпит ущерба. Космос вечно вращается круговымвращением и в подлунной части его вечно чередуются возникновение и гибель.

Плотин оказал огромное влияние напоследующее развитие философии. Рене Декарт первый после Аристотеля взялся засоздание единой картины мира (“Начала философии”, 1644).

XIV-XVIII века — время расцвета механическойкартины мира, что связано с примитивным производством, которое имело дело восновном с механическим движением.

Вселенная Ньютона состоит издвижущихся тел и пустоты. Пространство в ней только вместилище тел, а время — длительность процессов. Вселенная бесконечна в пространстве и времени инеизменна со дня творения. Как она образовалась? На этот вопрос Ньютон неотвечает. Чтобы привести Вселенную в движение, Ньютону понадобился “первыйтолчок”. Здесь сфера деятельности бога сужается. Ведь у Аристотеля бог долженбыл постоянно крутить небосвод.

Первый кирпичик в фундаментэволюционной картины мира был положен Иммануилом Кантом с выходом его “Всеобщейестественной истории и теории неба” в 1755 году. (Тезис Канта: “Имей мужествопользоваться своим умом”). Кант имел мужество выступить против царившего внауке представления о неизменности окружающего мира.

Лиссабонское землетрясение (1775 г.,60 000 погибших) способствовало крушению иллюзий о вечной гармонии природы,созданной творцом на вечные времена.

И.Кант (1781) в “Критике чистогоразума”, пытаясь проникнуть в глубь истории с ее картинами ужасающейжестокости, бесчеловечности, глупости, ставит вопрос:”Как весь этот видимыйхаос совместить с понятием прогресса?” — и приходит к выводу, что суетное на одномсистемном уровне оказывается закономерным на другом. Природные задаткичеловека, его разум развиваются не в индивиде, а в роде. Род людскойразвивается в направлении прогресса, несмотря на отдельные “вывихи”. Источникоместественного развития Кант считает борьбу.

Кант: “… Дайте мне материю, и япокажу вам, как из нее должен образоваться мир. Но… в состоянии ли мысказать: дайте мне материю, и я покажу вам, как можно было бы произвестигусеницу?”

Происхождение и развитие живыхсуществ продолжали оставаться удивительными тайнами природы.

Каспар Вольф (1759) в диссертации“Теория генерации” доказал, что индивидуальное развитие живых существпроисходит путем эпигенеза. Предшественником Вольфа можно считать Аристотеля.Аристотель первым увидел в эмбриональном развитии новообразование из“бесформенной” материи. Но он не мог ответить на вопрос, почему из эмбрионакурицы всегда появляется курица, а не какое-либо другое существо.

Сторонники преформизма искаливнутреннюю “модель”, вещественный чертеж организма, который сам способен кросту, и отрицали развитие с новообразованием. При этом они не могли объяснитьявления регенерации, тератогенеза. Эпигенез мог ответить на эти вопросы, но ондопускал существование некоей жизненной или формирующей организм силы, которую,однако, найти не могли.

Современная биология развитияустановила, что индивидуальное развитие представляет собой преформированныйэпигенез: ход онтогенеза запрограммирован (предопределен) генотипом.

В 1809 году французскийестествоиспытатель Жан Батист Ламарк (17441829) издал свой главный труд“Философия зоологии”, в которой изложил первую концепцию биологическойэволюции. Согласно его концепции органический мир Земли является результатомдлительного прогрессивного развития. Биологическая эволюция включает усложнениеили повышение уровня организации (“развитие от простого к сложному” или принципградации) и возникновение частных приспособлений к различным условиям среды впределах каждой ступени градации в результате наследования “благоприобретенныхпризнаков” (которые современной генетикой признаются ненаследуемыми).

Ламарк впервые в истории наукивысказал предположение о происхождении человека от “четвероруких”, т.е.приматов. Общая характеристика биологической эволюции у Ламарка оказаласьверной, но причины ее вскрыть ему не удалось.

С этой задачей справился позжеанглийский естествоиспытатель Чарлз Дарвин (1809-1882) в своей главной книге“Происхождение видов” (1859). Основная заслуга Дарвина — концепцияестественного отбора, основанного на наследственной изменчивости и борьбе засуществование.

Книга Дарвина нанесла серьезный ударпо креационизму и совершила настоящий переворот в области биологии. Однако еезначение вышло за пределы естествознания, так как она затрагивала многиеморально-этические проблемы. В 1871 году Дарвин издал книгу “Происхождениечеловека и половой отбор”, в которой доказал родство человека с приматами ивскрыл причины и закономерности антропогенеза.

Позже Ф.Энгельс внес дополнения втеорию антропогенеза, сделав акцент на роли трудовой деятельности в процессепревращения обезьяны в человека. И, наконец, XX век принес неоспоримые иобильные палеонтологические данные, подтверждающие естественное происхождениечеловека от высших приматов.

Революция, совершенная Дарвином в1859 г., — возможно, наиболее фундаментальная из всех интеллектуальныхреволюций в истории человечества. Она не только уничтожила антропоцентризм, нои затронула все метафизические и этические понятия (Э.Майр. Сменапредставлений, вызванная дарвиновой революцией. Из истории биологии, вып. 5.М.: Наука, 1975, 3-25). Период с 1800 г. до середины столетия был свидетелемвеличайшего расцвета в Великобритании естественной теологии. Выискиватьдополнительные доказательства мудрости и постоянного внимания Творца сталонравственным долгом ученого. (Агассис: “Наша задача… завершается, как толькомы доказали Его существование”).

Мир считался созданным в 4004 г. дон.э. и неизменным (современный пример — фильм “Происхождение”). Лестницасуществ — часть божественного плана — объясняла более высокую и более низкуюорганизацию животных, а всемирный потоп — существование ископаемых форм. Всесделано согласно плану. Поскольку виды неизменны, то все, что их касается,-область распространения, приспособления против конкурентов и врагов и дажевремя вымирания — было заранее определено, т.е. предопределено.

В результате дарвиновой революциипредставление о мире, созданном в один миг, было заменено понятием о постепенноразвивающемся мире, в котором человек является частью эволюционного потока.

Дарвинова революция потребовала непросто замены одной научной теории другой, а в сущности отказа от основныхшироко распространенных убеждений. Она вызвала значительно большие последствияза пределами науки, нежели любая революция в области физики.

Теория относительности Эйнштейна итеория Гейзенберга едва ли могли оказать какое-нибудь влияние на чьи-либоличные убеждения. Революция, совершенная Коперником, и взгляд Ньютона на миртребовали известной ревизии традиционных убеждений. Но ни одна из этих теорийне подняла так много вопросов, относящихся к религии и этике, как дарвиноватеория эволюции посредством естественного отбора.

Дарвин, приступая к созданию своейэволюционной теории, был уже убежденным материалистом. Это доказаноамериканцами Говардом Грубером и Полом Берретом в книге “Дарвин о человеке”(1974). Авторы в записных книжках Дарвина 1837-1839 г.г. нашли следующиевысказывания:

“Чтобы избежать выяснения, насколькоя убежден в материализме, скажу только, что чувства, инстинкты, степени таланта,которые наследственны, являются такими потому, что мозг ребенка похож народительскую конструкцию. Дух есть функция тела”. В механической картине мираВселенная представляется как механическое соединение частей. С именем Фарадеясвязано формирование электродинамической картины мира. А с 1910 года в наукуначинают входить квантовые представления о корпускулярно-волновом дуализмеэлементарных частиц и наступает время новой, современной картины мира.

Для науки нашего времени мир, как и вдревние времена, — это единое органическое целое.

Тема3.2. Принципы синергетики, эволюционная триада и системный подход

Согласно общей теории систем (Л. фонБерталанффи): Система — совокупность взаимодействующих элементов, объединенныхв целое выполнением некоторой общей функции, несводимой к функциям еекомпонентов.

Система:

1) взаимодействует со средой какцелое;

2) состоит из подсистем более низкогоуровня;

3) сама является подсистемой длясистем более высокого уровня;

4) сохраняет общую структурувзаимодействия элементов при изменении внешних условий и внутреннего состояния.

Редукционизм — стремление сложноесвести к простому, сложное объяснить через простое, способ сведения сложного канализу явлений более простых, который является мощным средством исследования.

Это — метод мышления. Идеологияредукционизма столь глубоко пронизала все физическое мышление, что большинствофизиков глубоко убеждены, что все свойства макроуровня уже закодированы вмоделях микроуровня.

Редукционизм в физике порождает рядважных исследовательских программ. Одна из них, может быть, самая важная всовременной теоретической физике, способная открыть совершенно новые горизонтыпознания, посвящена единой теории поля и включения гравитации в общую системувзаимодействий.

К числу подобных программ относятся иисследования И.Пригожина и его школы, посвященные проблеме “стрелы времени”.

Необратимость времени — этоэкспериментальный факт, который мы фиксируем на макроуровне. Но является линеобратимость времени особым свойством макроуровня или она оказываетсяследствием свойств микроуровня, который описывается квантовой механикой? Этотвопрос затрагивает самые глубинные слои познания. Н.Моисеев полагает, что ответдолжен быть отрицательным. Дело в том, что основное уравнение квантовоймеханики — уравнение Шредингера — инвариантно относительно направления времени.И у нас нет оснований сомневаться в его справедливости. Вполне допустима мысльо том, что на квантово-механическом уровне нет “стрелы времени”. Там царствуетобратимость, и замена знака времени на обратный ничего не меняет в характерепроцессов, протекающих на этом уровне.

Интересна судьба редукционизма вбиологии, который выразился в стремлении объяснить процессы, протекающие вживом веществе, только законами физики и химии. Многие факты действительнополучили свое относительно простое объяснение в рамках редукционизма, например,явления наследственности, поэтому влияние редукционизма в биологии оказалосьвесьма значительным.

Бертран Рассел, кажется, сказалоднажды, что, как это ни удивительно, но все свойства живого вещества можнобудет предсказать однажды, ибо они однозначно определяются особенностямиэлектронных оболочек атомов, в него входящих.

Работы М.Эйгена представляют собойпопытку объяснить процессы, протекающие в живом организме, законами физики ихимии.

Тем не менее, биология не принимаетположения о том, что свойства системы однозначно определяются свойствами ееэлементов и структурой их связей. Тем более это положение не может быть принятонауками об обществе. Более верным является представление о том, что приобъединении элементов происходит образование новой структуры, обладающейспецифическими качествами. В процессе сборки возникают новые системныесвойства, не выводимые из свойств объектов более низкого уровня.

Развитие нашего мира на всех егоуровнях представляется в форме некоторого процесса непрерывного возникновения(и разрушения) новых систем с возникновением новых свойств, нового качества.

О направлениисамопроизвольных процессов

Теория устойчивости термодинамическихсистем носит в основном качественный характер.

Положение монеты, лежащей на столе,устойчиво; стоящей на ребре -неустойчиво.

Каждая термодинамическая системаподвержена самопроизвольным возмущениям, или флуктуациям. Если системаустойчива, флуктуации затухнут, и энтропия примет первоначальное значение.Напротив, если первоначальное состояние неустойчиво, любая флуктуацияприобретает макроскопические размеры и движет систему в совершенно новоесостояние.

Неустойчивость может быть следствиемфлуктуаций любого термодинамического параметра.

Линейная область термодинамикинеобратимых процессов характеризует состояния, близкие к состоянию равновесия.Стационарные состояния таких процессов характеризуются минимальной скоростьюпроизводства энтропии, что обеспечивает устойчивость стационарных состоянийвблизи равновесия.

В области линейности неравновесныхсостояний критерии устойчивости и эволюции тесно связаны. Судьба системы будетраз и навсегда предопределяться наложением не зависящих от времени граничныхусловий.

Для нелинейной термодинамическойсистемы функция кинетического потенциала не может быть установлена.Неравновесные состояния не могут устоять перед натиском флуктуаций, посколькуони не имеют никакого механизма, который способствовал бы устранению этих флуктуаций.Они могут усиливаться и тем самым коренным образом изменять поведение системы.

Критерий устойчивостисистем, далеких от равновесия

Об устойчивости неравновесныхстационарных состояний вдали от равновесия можно судить по знаку избыточногопроизводства энтропии: если знак отрицательный, система неустойчива, и,наоборот, положительный знак указывает на то, что стационарные состоянияасимптотически устойчивы.

В настоящее время известно многопримеров неустойчивых нелинейных систем, которые играют решающую роль впонимании динамических свойств материи, необычного характера протеканияхимических реакций, организации биологических систем и даже некоторых сторонжизни сообществ — от бактерий до человека.

Некоторые примеры неустойчивых,далеких от равновесия стационарных состояний:

Конвективная неустойчивость Бенара(1900). Слой жидкости между двумя горизонтальными пластинками с разнойтемпературой. При пороговом значении разности температур появляются устойчивыеконвективные ячейки, имеющие форму роликов. Соседние ролики вращаются впротивоположных направлениях. При достижении нового порогового значенияскорость образования и температура ячеек начинает периодически изменяться спостоянной частотой и предсказуемым образом.

Неустойчивость по Тейлору — жидкостьмежду двумя концентрическими цилиндрами, причем внутренний вращается.

В обоих случаях бесформенная жидкостьсамопроизвольно организуется в форму роликов или шестигранников или же вслоистые структуры. Примечательно, что такая организация является следствиемрассеяния энергии системы при сохранении неравновесности за счет постоянногопритока притока энергии из внешней среды. Как только приток энергиипрекращается, система возвращается к исходному состоянию.

Порядок и энтропия

Во многих отношениях классическоетермодинамическое описание биологических явлений часто оказывалосьнесостоятельным. Самая существенная черта биологических систем — временной ипространственный порядок. Кроме того, биологическая упорядоченность,по-видимому, является внутренней сущностью данного организма, и ониндивидуально и специфически отвечает на внешние раздражители, в то время какупорядоченность равновесного состояния неживых систем предопределена внешнимиусловиями.

Открытие природы неустойчивостистационарных состояний систем, далеких от термодинамического равновесия,послужило основой понимания спонтанного возникновения процессов, которыеприводили к ярко выраженной пространственно-временной организациифизико-химической системы.

Таким образом, критерий устойчивости- это мост между физико-химическими системами и биологической организацией.

Большинство химических реакцийпротекает вдали от термодинамического равновесия и устойчивости стационарногосостояния могут угрожать автокаталитические стадии. В этом случае срабатывает механизмобратной связи, когда продукт реакции участвует в синтезе самого себя.

Биохимические системы включают в себядлинную цепь из многих тысяч биохимических реакций. Их главная особенностьсостоит в наличии ферментативного катализа и механизмов обратной связи. Крометого, живые организмы представляют собой открытые системы, они проявляют чертыдиссипативных структур.

Развитые П.Гленсдорфом и И.Пригожинымкритерии эволюции и устойчивости неравновесных систем примирили живой мир стермодинамической теорией. Как только ученые убедились, что нет никакогопротиворечия между законами макроскопической физики, свойствами самоорганизацииматерии и биологическими функциями, для исследования этих процессов открылисьновые пути.

Кооперация на молекулярном уровнележит в основе нескольких типов надмолекулярной организации материи. Такаяорганизация материи проявляется самопроизвольно как неотъемлемое свойство любойданной химической реакции в отсутствие каких бы то ни было организующихфакторов. Таким образом, мы можем говорить о самоорганизации гомогеннойматерии. С другой стороны, для такой самоорганизации требуется постоянныйприток и отток вещества и энергии, и поэтому мы также говорим о диссипативныхструктурах.

Описание процесса самоорганизацииматерии — эволюции Вселенной опирается на два постулата:

1) материя обладает свойствомсаморазвития -принцип синергизма и

2) Вселенная возникла 15-20 млрд летназад -принцип начала.

Эволюция Вселенной представляет собойграндиозную панораму возникновения их хаоса все новых систем разной временной ипространственной протяженности. Эти образования далеки от равновесия,квазистабильны и, разрушаясь, снова возвращаются в хаос, давая материал дляновых квазистабильных образований.

Для любых достаточно сложных систем,как и для общего мирового процесса развития характерны два свойства: 1)принципиальная неустойчивость — два близких начальных состояния могут порождатьсовершенно различные траектории развития; 2) принципиальная стохастичность — непредсказуемость внешних воздействий. Эти свойства характеризуют хаотичность.

Указанные свойства порождают закондивергенции, следуя которому процессы развития приводят к фантастическомуразнообразию форм организации материи.

Еще одно свойство развития — направленный характер: происходит непрерывное усложнение организации. Этотфеномен развития, как и тесно с ним связанную ассиметрию времени, мы до сих порне можем обосновать, принимая лишь как “эмпирическое обобщение”.

Еще одно эмпирическое обобщение — жизнь существует, во всяком случае на Земле, где она однажды возникла.Возникновение жизни — естественный этап саморазвития Земли.

Переход от неживого к живому — одиниз этапов процесса самоорганизации материи.

Появление жизни изменило характерэволюции географической оболочки Земли. Граниты, гнейсы, песчаники — результатвзаимодействия биогеохимических и тектонических процессов. Изменился составгидросферы и атмосферы.

Царство прокариотов продолжалосьоколо 2 млрд лет. Они насытили атмосферу кислородом. Им на смену пришлиэукариоты, которые отличались более эффективным использованием энергии, с чемсвязана их способность к более быстрой эволюции и к самосовершенствованию.Появление эукариотов — грандиозная перестройка биосферы.

Возникновение разума — столь жезагадочная перестройка процесса развития мира, как и возникновение жизни. Нашмозг породил способность познавать самого себя, видеть себя со стороны,познавать окружающий мир и задумываться над тайной своего происхождения.

Благодаря появлению разума возникаетобщество как совокупность индивидуумов, личностей, способных к совместномутруду и творчеству в материальной и духовной сфере.

История человека включена в историюбиосферы. Развитие человеческого общества — такой же естественный процесс, какформирование галактик и развитие вируса.

Таков, по Н.Моисееву, эскиз единогопроцесса самоорганизации (процесса синергизма), протекающего в нашей Вселенной.

Механизмы эволюции

Единый процесс развития охватываетнеживую природу, живое вещество и общество — три уровня организацииматериального мира — три звена единой цепи. Необходимо создание единого языкадля описания этого единого процесса развития. В основу такого языка может бытьположена дарвиновская триада: изменчивость, наследственность и отбор, носодержание этих понятий должно быть расширено.

Изменчивостью можно назвать любыепроявления стохастичности и неопределенности. Неопределенность и стохастичность- объективная реальность нашего мира, которая проявляется в контекстенеобходимости, т.е. законов.

Случайность и неопределенность — характеристики всех процессов, протекающих в неживой природе (турбулентность,броуновское движение), в живой природе (мутагенез), в обществе (конфликты).

Изменчивость создает полевозможностей, из которого возникает многообразие процессов и организаций. Онавместе с тем служит и причиной их разрушения. Такова диалектика самоорганизации(синергетики).

Стохастичность и неопределенность вповседневной жизни людей проявляются в неоднозначности отображения реальногомира в своем сознании, в неопределенности поведения и реакций на воздействияокружающего мира.

Второй фактор — наследственность.Этим термином можно обозначить не только способность сохранять своиособенности, но и изменяться от прошлого к будущему, способность будущегозависеть от прошлого. Наследственность отражает влияние прошлого на будущее.Будущее определяется прошлым в силу стохастичности неоднозначно.

Отбор — третье и самое трудноепонятие триады. Недавно было открыто и изучено явление, получившее название“странный аттрактор”. Оказалось, что траектории многих детерминированныхдинамических систем могут полностью заполнять некоторый фазовый объем: в любойокрестности любой точки этого объема всегда будут находиться точки,принадлежащие траектории одной и той же системы, порожденные одним и тем женачальным состоянием. Более того, этот объем будет притягивать и остальныетраектории системы.

Движения таких систем характеризуютсявысшей степенью неустойчивости: две любые сколь угодно близкие точки будутпорождать совершенно различные траектории. Принцип Адамара “малым причинамдолжны отвечать малые следствия”, который долгое время играл важную роль вматематической физике, теперь приходится пересматривать.

Траектории систем, обладающих“странным аттрактором”, несмотря на то, что они описываются вполне детерминированнымиуравнениями, подобны траекториям, порождаемым случайными причинами. Онихаотичны, их развитие невозможно прогнозировать.

Может быть, неустойчивости,порождающие хаос и неупорядоченность, -это естественное состояние материи, еедвижения, на фоне которого лишь как исключения возникают более или менеестабильные образования? Может быть только эти образования мы и можем наблюдать,а все остальное происходит без свидетелей?

В этом случае принципами отбора можноназвать причины, которые приводят к существованию устойчивых образований внашем нестабильном мире.

Наш опыт показывает, что кажущийсяхаос случайностей рождает нечто определенное и закономерное. Законами природымы называем те связи между явлениями природы, которые мы можем установитьэмпирически или средствами логического мышления. Эти связи определяют процессысамоорганизации нашего мира.

В механике со времен Мопертюи иЛагранжа принято говорить о виртуальных движениях или множествах возможныхдвижений, которые могут порождаться любыми произвольными, в том числе“случайными” причинами. Значит, уже в XVIII веке было понято, что изменчивостьпредоставляет природе целое поле возможностей, из которых отбирается лишьнекоторая совокупность, удовлетворяющая некоторым специальным условиям(принципам отбора). Было установлено, что реальные движения отбираются измножества виртуальных с помощью законов Ньютона, которые и являются простейшимипринципами отбора (концепция фильтра).

Принципами отбора являются все законысохранения, законы физики и химии, второй закон термодинамики, в экономике — условия баланса.

Особую роль в мировом эволюционномпроцессе играет принцип минимума диссипации энергии: если допустимо неединственное состояние системы, а целая совокупность состояний, согласных сзаконами сохранения и связями, наложенными на систему, то реализуется тосостояние, которому отвечает минимальное рассеивание энергии, или, что то жесамое, минимальный рост энтропии.

Этот принцип следует рассматриватькак эмпирическое обобщение. По своей формулировке он похож на принцип минимумапотенциала рассеяния Л.Онсагера и принцип минимума производства энтропииИ.Пригожина.

Н.Моисеев полагает, что принципминимума диссипации энергии есть частный случай значительно более общегопринципа “экономии энтропии”. Представляется справедливой следующая гипотеза.Если в данных условиях возможны несколько типов организации материи,согласующихся с другими принципами отбора, то реализуется та структура, которойотвечает минимальный рост (или максимальное убывание) энтропии. Посколькуубывание энтропии возможно только за счет поглощения внешней энергии ивещества, реализуются те из мысленно возможных (виртуальных) форм организации,которые способны в максимальной степени поглощать внешнюю энергию и вещество.

Этот принцип отбора Н.Моисеевназывает обобщенным принципом диссипации.

Существует, по крайней мере, двакласса механизмов эволюции. К первому можно отнести адаптационные механизмы — дарвиновские механизмы естественного отбора, действующие не только в биологии,но и в физике, химии, технике и обществе. Адаптация или самонастройкаобеспечивает развивающейся системе стабильность в конкретных условиях. Изучаяэти условия можно предвидеть тенденции в изменении параметров системы (пример — селекция). Пути развития системы ограничиваются каналом эволюции, установленнымприродой, и в этом случае путь развития предсказуем с некоторой точностью.

Другой тип механизмов эволюциисправедлив для систем, обладающих пороговыми состояниями, переход через которыеведет к резкому, качественному изменению протекающих в них процессов — кизменению их организации (пример: переход ламинарного течения в турбулентное сростом расхода жидкости).

Очень важно при этом следующее:переход системы в новое состояние в пороговой ситуации неоднозначен, так же каки характер ее новой организации, то есть после бифуркации существует целоемножество возможных структур, в рамках которых будет в дальнейшем развиватьсясистема. И предсказать заранее, какая из этих структур реализуется, нельзя впринципе, ибо это зависит от тех неизбежно присутствующих случайных воздействий- флуктуаций внешней среды, — которые в момент перехода через пороговоесостояние и будут определять обор.

Эта особенность пороговых(бифуркационных или катастрофических) механизмов играет особую роль в развитиинашего мира. Неопределенность будущего и есть главная особенность второго типамеханизмов эволюции. Она есть следствие того, что будущее состояние системы припереходе ее через пороговое значение определяется флуктуациями, которыеприсутствуют всегда.

При переходе через бифуркационноесостояние система как бы забывает (или почти забывает) свое прошлое. И в силувероятностного характера перехода через это пороговое состояние обратного ходаэволюции уже нет. Время, как и эволюция, приобретает направленность инеобратимость.

Механизмы бифуркационного типазаставляют реабилитировать, в известной степени, теорию катастроф Ж.Кювье. Нетолько дарвиновское постепенное изменение видов характерно для эволюции жизни,но и быстрые перестройки. Дарвин или Кювье — такой вопрос неправомочен. ИДарвин, и Кювье — так правильно.

Катастрофические состояния биосферы,порождавшие бифуркации, были столь же естественными элементами эволюционногопроцесса, как и постепенное видообразование.

Законы физики, химии и другие принципыотбора устанавливают определенные границы изменения состояний системы, канал,внутри которого могут протекать эволюционные процессы. Случайные факторы как быпытаются вывести систему за эти границы. До поры до времени этого не происходит- поток внутри канала следует механизму адаптационного типа.

Со временем эволюционный потоквыходит на пересечение нескольких каналов эволюции, и теперь вступают вдействие бифуркационные механизмы А.Пуанкаре. На пересечении каналов возникаетбифуркация или катастрофа по терминологии Уитни и Тома. Возникает нескольковариантов дальнейшего развития, и выбор нового канала случаен илинепредсказуем, ибо он зависит от случайных факторов.

Из этого вытекает один из общихзаконов самоорганизации материи: развитие характеризуется усложнением и ростомразнообразия форм организации материи. Это закон дивергенции, справедливый длявсех уровней материального мира. Стохастический характер причинности и действиебифуркационных механизмов может развести сколь угодно далеко даже самые близкиеформы организации.

С увеличением размерности системы,что всегда происходит при увеличении ее сложности, количество состояний, вкоторых могут происходить катастрофы (бифуркации), быстро возрастает.Следовательно, с ростом сложности системы растет и вероятность увеличения числавозможных путей дальнейшего развития, то есть дивергенции, а вероятностьпоявления двух развивающихся систем в одном и том же канале эволюциипрактически равна нулю. Это и означает, что процесс самоорганизации ведет кнепрерывному росту числа организационных форм.

Теория бифуркаций была созданаПуанкаре и затем развита Андроновым, Хопфом и другими исследователями.

При удалении от равновесиятермодинамическое состояние становится неустойчивым, и неожиданно могутпоявиться новые решения. Единственное решение, которое имеет система уравненийв непосредственной близости к равновесной области, при некотором критическомзначении параметров достигает точки бифуркации, начиная от которой для системыоткрываются новые возможности, приводящие к нескольким решениям.

Определение параметров, при которомначинается ветвление решений, представляет собой задачу первостепенной важностикак для аналитических, так и для числовых решений нелинейных дифференциальныхуравнений. Самая первая задача любого поиска бифуркации решений заключается вопределении точек неустойчивости однородной системы.

Литература

1. Сачков Ю.В. Вероятностнаяреволюция в естествознании/ Природа, 1991, 5

Тема3.3. Качественные методы в эволюционных задачахНачала нелинейногомышления. Пространства состояний системы и динамическая модель

Становление науки Нового временинеотделимо от выработки концепции механической причинности и ее абсолютизации влапласовском детерминизме, который несовместим с идеей развития. Концепция однозначнойпричинности выражена в афоризме: “Одинаковые причины — одинаковые следствия”.Встречающиеся сплошь и рядом в обычных житейских ситуациях случаи, когда,казалось бы одинаковые причины приводят к разным следствиям, всегда легко иизящно объяснялись ссылкой на неполноту учета всех предшествующихобстоятельств.

Развитие квантовой физики привело крадикальному перевороту в этой области, суть которого заключается в утвержденииобъективного и фундаментального статуса вероятности и неопределенности.

Основное уравнение квантовой механики- уравнение Шредингера -столь же детерминистично и линейно, как и уравненияклассической механики. Но уравнение Шредингера описывает не реальныенаблюдаемые величины, а распределение потенциальных возможностей. Переход к реальнонаблюдаемым величинам связан с редукцией волновой функции, а следовательно, снарушением однозначной причинности.

Идея однозначной причинности жесткосвязана с представлением о линейном характере причинных связей (цепей событий).Считалось, что эти линейные цепи причин и следствий простираются неограниченнодалеко как в будущее, так и в прошлое. Причина всегда равна своему следствию, аизменение следствия пропорционально изменению причины.

Эти натурфилософские (Ахундов иБаженов, Природа, 1991, 4) представления о линейных цепочках причин и следствийнаходят в науке выражение в образе линейных систем, процессы в которыхописываются линейными дифференциальными уравнениями, — свойства таких систем неменяются при изменении их состояния (принцип суперпозиции).

Мир классической механики быллинеаризированным миром, законы которого формулировались на языке линейныхдифференциальных уравнений. Эти уравнения служили не только мощным аппаратомисследования, но и теми “очками”, сквозь которые исследователь смотрел на мир.

Но реальная действительность несостоит из абсолютно твердых шаров, катящихся по абсолютно гладкимповерхностям. Реальный “биллиард” характеризуется такими нелинейнымиособенностями, как трение, турбулентность и пр. Для описания реальных объектов вводилисьразличные поправки. Но отступления от линейности рассматривались какнезначительные и объяснялись не идеальностью объектов.

Однако в ходе научного познанияобъектами исследования стали такие явления и процессы, которые проявляют себяне просто как неидеальные, но именно как нелинейные. В XIX веке наука,сталкиваясь с такими объектами, вынуждена была отступать, ибо не былоэффективных методов решения нелинейных уравнений. Да и господствовавшая картинамира не стимулировала интерес к изучению подобных объектов. Более того, само ихсуществование могло показаться абсурдным. Например, кому могло прийти в головуисследовать процессы вдали от равновесия и стационарности: если вблизи этогоположения исследование имеет смысл и может опираться на испытанные методылинеаризированной физики (плюс необходимы уточнения), то вдали от него такаяработа представлялась бессмысленной, ибо задолго до ее завершения объектисследования будет просто разрушен.

Можно представить себе состояниеученых, когда выяснилось, что в этих “катастрофических” областях могутсуществовать устойчивые динамические структуры. Оказалось, что сугубонелинейная область хаоса структурно богата и в ней возможны свои космосы(античные термины хаос и космос вновь активно заработали).

Структурная населенность нелинейногомира (хаоса): нелинейные периодические реакции В.П.Белоусова, получилаобъяснение в рамках неравновесной термодинамики И.Пригожина и синергетикиГ.Хакена, а также теории катастроф Р.Тома, благодаря чему удалось совершитьпрорыв в той области математики, начало которой положено работами А.Пуанкарепрошлого века и была связан с теорией нелинейных уравнений.

Помимо синергетических объектовсуществуют многочисленные классы нелинейных систем (в оптике, акустике,радиоэлектронике и т.д.), чьи свойства зависят от их состояния.

В классической науке нелинейностьхарактеризовала особый частный класс объектов, а в современной — нелинейностьрассматривается как универсальная и фундаментальная черта окружающейреальности. Если коротко охарактеризовать новый класс объектов, то их следуетназвать эволюционными объектами. С этими объектами связаны следующие понятия:1) нелинейность, о которой шла речь выше; 2) самоорганизация, которая означаетизменение своей организации под действием внутренних факторов; 3) необратимостьвремени, которая в классической науке рассматривалась как эмпирически имеющаяместо досадная черта реальности, причем задача теоретического знаниязаключалась в разработке приемов, как эту необратимость обойти.

В современных науках, какестественных, так и социогуманитарных, эволюционные процессы во все большейстепени выходят на передний край исследований. И хотя в наукахсоциогуманитарного цикла, как и в биологии, идея развития получила широкоевыражение уже в прошлом веке, но и здесь радикально новым элементом оказываетсяидея нелинейности.

Диссипативные системывдали от равновесия

Диссипативные структуры включают всетипы самоорганизации: колебательные процессы, пространственную организацию,пространственно-временное структурирование, а также любую другуюпоследовательность процессов, связанных с когерентными свойствами, наблюдаемымив системе вне области устойчивости гомогенного состояния (А.Баблоянц, 1990).

Когерентность — согласованноепротекание во времени и пространстве нескольких колебательных или волновыхпроцессов, проявляющееся при их сложении.

Для возникновения диссипативныхструктур необходимы следующие условия:

1. Система должна быть открытой ипостоянно обмениваться веществом и энергией с окружающей средой. Это означает,что химические, биохимические и гидродинамические системы должны находитьсявдали от равновесия.

2. В системе должны протекатьразличные каталитические, кросс-каталитические процессы, а также регуляция потипу обратной связи. Такого рода процессы описываются нелинейнымидифференциальными уравнениями.

3. После некоторого критическогозначения параметра системы или какого-либо внешнего воздействия однородноестационарное состояние становится неустойчивым, и тогда ничтожно малоевозмущение в окружении системы может вызвать ее переход в новое стационарноесостояние, режим которого также соответствует упорядоченному состоянию.

Наиболее важной характеристикойдиссипативных структур является то, что они возникают и сохраняются только внеравновесных условиях. Под влиянием флуктуаций отдельные элементы системыкооперируются, обнаруживая при этом такое поведение, которое характеризуетсистему в целом и которое никак нельзя было бы ожидать или понять на основаниисвойств отдельных ее элементов.

Диссипативные структуры появляютсявсякий раз, когда система, способная к самоорганизации за счет своихкооперативных свойств, измеряет время и организует пространство для того, чтобы“выжить” при различных воздействиях, оказанных на нее, или для того, чтобылучше использовать окружающую среду.

Идея диссипативных структур получилаширокое распространение в тех областях знания, из которых она родилась.Особенно возродился интерес к теории нелинейных дифференциальных уравнений.Очень популярными стали математические модели для различных биологическихпроцессов, протекающих в единичных клетках или в многоклеточных ансамблях. Вразличных химических реакторах было обнаружено много неожиданных типовосциллирующего поведения. В жидкостях были открыты разнообразные неожиданныеупорядоченные, квазиколебательные и хаотические состояния.

На основе всех этих наблюденийвозникла новая ветвь исследований, названная областью нелинейных явлений,которая стала наиболее многообещающей областью макроскопической физики.

Самоорганизация диссипативных структурможет произойти только вдали от состояния термодинамического равновесия.

Когда характеризующие динамическуюсистему переменные изменяются во времени, они могут быть описаны в видедифференциальных уравнений. Дифференциальные уравнения приобретают нелинейнуюформу, как только мы переходим к описанию процессов возможной конкуренциисамоорганизации и самодеструкции каких-либо величин.

Можно ожидать, что такие системы будусамопроизвольно проявлять черты кооперативного поведения и различного родапространственно-временную организацию. Вот почему в последние годы рамкидиссипативных структур расширились и захватили даже такие области, каксоциобиология, социология, социальная экономика и экономическая наука.

Литература

1. Ахундов М.Д., Баженов Л.Б. Эволюция,нелинейность и марксизм/ Природа, 1991, 4

Тема3.4. Динамический хаос — фундаментальное свойство реальности

И.Пригожин: В течение всей моейнаучной карьеры меня чрезвычайно интересовала проблема времени, точнее, то, чтоя предпочитаю называть парадоксом времени.

С одной стороны, различие междупрошлым и будущим весьма важно для нашего существования. Это различие играетважную роль в космологии, химии и биологии. С другой стороны, фундаментальныезаконы классической и квантовой механики инвариантны относительно обращениявремени. Прошлое и будущее играют одну и ту же роль.

Я пришел к убеждению, что следуетобобщить динамику так, чтобы она включала в себя явления, отвечающие нарушениювременной симметрии. В реализации этой программы фундаментальная рольпринадлежит работам по неустойчивым динамическим системам, начатым Пуанкаре ипродолженным блестящей русской школой. Вопрос сводится к тому, чтобы показать,какие законы управляют хаотическими системами.

Введение хаоса приводит к тому, чтоможно назвать третьей формой законов природы.

Первая форма этих законов оперирует страекториями в классической механике и с волновыми функциями в квантовоймеханике.

Вторая форма — это статистическаяформулировка законов природы (работы Гиббса и Эйнштейна). Но предложенная этимиавторами статистическая формулировка оставалась приводимой или сводимой: вкачестве частного случая она применима к траекториям и волновым функциям.

Новая формулировка не позволяетотойти от статистического уровня описания. Законы хаоса носят вероятностный, ноне достоверный характер.

Законы, управляющие поведениемустойчивых систем, детерминистичны и обратимы во времени. Наоборот, законы,описывающие хаотические системы, соответствуют вероятностям и включают в себянеобратимость.

Необратимость возникает в результатенеустойчивости “хаоса”.

(И.Пригожин. Природа, 1993, 12)Ю.Данилов (там же): Основной тезис Пригожина состоит в том, что необратимостьво времени порождается хаосом на фундаментальном уровне. Под этим понимаетсяследующее. В ньютоновой механике эволюция физической системы во времениописывается в терминах отдельных траекторий, в квантовой — в терминах отдельныхволновых функций. Уравнения движения (Ньютона — в классической механике иШредингера — в квантовой) оказываются обратимыми во времени: прошлое при такомописании равноправно с будущим. Несоответствие между между наблюдаемойнеобратимостью физических процессов (однонаправленностью времени) и обратимымхарактером уравнений движения Пригожин называет парадоксом времени.

Дж.Гиббс и А.Эйнштейн предложилиперейти от описания в терминах траекторий к вероятностному описаниюсовокупностей, или ансамблей, траекторий. Однако парадокс времени оставалсянерешенным, так как описание в терминах ансамблей допускало сведение к описаниюв терминах отдельных траекторий.

Решение парадокса времени Пригожинвидит во введении нового понимания в терминах ансамблей, отличающегосянесводимостью к отдельным траекториям и волновым функциям.

Гармония в хаосе

… Природадаже в состоянии хаоса может

действоватьтолько правильно и слаженно.

И.Кант

Наука всегда занималась в основномзакономерной составляющей бытия. Турбулентное движение жидкости относили кцарству полной неразберихи -хаосу. В древнегреческой мифологии хаосом назывализияющую бездну, наполненную туманом и мраком, из которых произошло все сущее. ВСредние века даже возникла хаосология — ветвь богословия, выясняющая, что былодо того, как Бог сотворил мир.

И вот оказалось, что в явлениях, напервый взгляд совершенно беспорядочных, есть своя необычная структура. Началаформироваться научная хаосология.

В математике фигуры, одинаковые поформе, но различающиеся размерами, называются подобными.

Похожесть процесса на самого себя приизменении масштаба называют самоподобием, масштабной инвариантностью, скейлингом(scale — масштаб, размер).

В последние десятилетия самоподобиеначинают открывать всюду: в линиях берега, разряда молнии и трещин;поверхностях гор, облаков и кочанов цветной капусты; ветвлении деревьев икровеносных сосудов.

В чем суть самоподобия? Общая картинане меняется или не зависит от масштаба. Объекты, обладающие таким свойством,американский математик Б.Мандельброт в 1975 г. предложил называть “фракталами”.

Фракталы обнаруживают в тех процессахи явлениях, о которых мы привыкли думать как о беспорядочных, хаотичных, потомучто в них участвует множество случайных факторов. Поэтому говорят, чтовероятностный, или стохастический хаос носит фрактальный характер. Там, гдегосподствует случай, формы фрактальны. Это имеет не только умозрительный интерес:например, в Голливуде декорации, имитирующие горный пейзаж, разрабатываеткомпьютер на основе алгоритма, учитывающего фрактальность горной поверхности. Витоге на экране получается картинка, очень похожая на настоящие горы.

Фракталы — объекты с сильноизвилистой, изрезанной или пересеченной границей. Обычные меры длины, площади иобъема к фракталам неприменимы. Геометрию фракталов принято описывать другимихарактеристиками, например, размерностью Хаусдорфа-Безикевича. Длянефрактальных (гладких) объектов эта размерность совпадает с обычной(топологической) размерностью (равной 0 для точки, 1 — для линии, 2 — дляплоской фигуры, 3 — для тела) и принимает целочисленные значения, но дляфрактальных объектов размерность принимает дробные значения. Например, дляочень извилистой линии она может бытьравна 1,03 (уже не линия, но еще неплоская фигура).

Мирбестелесный, слышный, но незримый,

Теперьроится в хаосе ночном...

Ф.Тютчев

Конечно, в природе самоподобиепростирается лишь до какого-то предела — рано или поздно с изменением размеровпроисходит качественный скачок. Например, разглядывая кровеносные сосуды во всеболее сильный микроскоп, мы в конце концов увидим отдельные клетки. Но мысленноможно рассмотреть случай, когда скейлинг продолжается до бесконечности:примером может служить “ковер Серпинского”.

О, бурьзаснувших не буди -

Под нимихаос шевелится!...

Ф.Тютчев

Успехи классической физикиосновывались на том, что многие явления, например, движение планет, описываютсялинейными дифференциальными уравнениями, для которых можно найти общее решение.Нужно только подставить в них начальные условия (координаты точки, из которойдвижение начиналось), и траектория полностью предсказывалась. Конечно,начальные условия желательно знать поточнее, но малые погрешности не страшны,так приведут к малым же отклонениям в решении.

Когда научились решать простыенелинейные уравнения (а большинству реальных процессов соответствуют именноони), то выяснили, что определяющее влияние начальных условий есть уже неисключение, а правило. Такой вывод сделал еще сто лет назад А.Пуанкаре, когдарассмотрел движение трех тел, связанных взаимным тяготением. И все эти решениябыли в определенном смысле просты: например тяготеющие тела или убегут вбесконечность, или остановятся, или вернутся в исходные положения, и всеначнется сначала — траектории будут циклическими (состояние, к которому системав конце концов приходит, называют “аттрактором”).

Но когда с появлением ЭВМ сталиизучать более сложные нелинейные уравнения, оказалось, что решения могут бытьзначительно сложнее: возможно, что траектории никогда себя не повторяют — онизапутанны и нерегулярны (в этих случаях говорят о “странном аттракторе”).

Так, в 1963 г. американскийметеоролог Э.Лоренц, занимаясь задачей о тепловой конвекции, показал, что еерешение выглядит как два сцепленных мотка, каждый из которых состоит из пучкатраекторий. Начав движение из некоторой точки левого мотка, система сделаеткакое-то количество оборотов по этому мотку, затем перейдет на правый моток, совершитнекоторое количество оборотов там, потом вернется обратно и так далее.

Получается, что, проходя местосоединения двух мотков, она каждый раз как бы делает выбор — продолжить ли свойпуть по тому же мотку, или перейти на другой.

Чтобы узнать результаты этого выбора,нужно указать координаты исходной точки. И вот здесь исследователя подстерегалсюрприз: оказалось, что траекторию нельзя предсказать в принципе, потому чтодля этого необходимо определить эти координаты с бесконечно большой точностью.

Иначе говоря, каждая начальная точказадает свою неповторимую последовательность переходов и малейшая неточность вее задании изменит выбор пути, так что поведение системы станет совершенноиным. Что еще поразительно: странные аттракторы устроены наподобие ковраСерпинского, т.е. фрактальны.

Может случиться, что с изменениемнекоторого параметра, например скорости течения жидкости, развилки будутвозникать все чаще, а промежутки предсказуемого движения между ними — сужаться.В конце концов, траектории станут совершенно “неисповедимыми” — хаотичными.Именно так объясняется турбулентность, и она тоже связана с фракталами.

Все это углубило наше понимание иатмосферных явлений, и “причуд” плазмы в токамаках. Но значение этих идейгораздо шире: они меняют представления об эволюции космоса и жизни. УР.Брэдбери есть рассказ “И грянул гром” о том, как гибель одной-единственнойбабочки повлияла на историю общества. Сейчас уже всерьез говорят, что взмахкрыльев бабочки где-нибудь в Австралии может вызвать ураган в Европе — таковосвойство нелинейных систем непредсказуемо изменять свое поведение в ответ намикроскопический сдвиг начальных условий.

Любопытно, что этот факт послужилосновой для новой теологии. Роль Бога некоторые теперь усматривают во внесениив мир неуловимых управляющих воздействий. А так как воздействия эти могут быть,в принципе, сколь угодно слабыми — надо только знать, где и как их приложить, — то и человек своим внутренним усилием, молитвой, способен склонить ход вещей внужную сторону.

Итак, хаос возникает и там, гдевообще никакой случайности как будто нет — в области динамических систем,описываемых полностью детерминированными уравнениями. Создается теориядинамического, или детерминированного, хаоса.

Арсенал нелинейного мышления включаетнеравновесную термодинамику, синергетику, теорию катастроф.

Наверное, в структуре хаоса,возникающего практически везде, проявляется еще не до конца понятое единствоприроды — ее простота, заключенная в сложном, и сложность, таящаяся в простом.

Как генетический код сам по себе ещене определяет возникновение из клетки целого организма (влияют и исходнаяклетка, и внешняя среда), так и основные уравнения не задают однозначносвойства и судьбу мира -важны начальные условия и та цепь выборов, которые ужесделаны и делаются постоянно.

Все это перекликается с идеямиИ.Пригожина: природа не только существует, но и становится, несет в себе своюисторию; в ней не только необходимость, но и выбор, свобода, творчество — “миротворение”, по словам Н.Бердяева, продолжается. Так что физическаяреальность и наш духовный мир имеют общие черты.

Этот междисциплинарный подходизменяет облик, которая делается менее сухой, более человечной. Она охватываетуже не один лишь логос, но и хаос — стихийность, непредсказуемость, что,видимо, близко самой сути природы, ибо, как гласит французская пословица, “еслибы в мире господствовал разум, в нем бы ничего не происходило”.

Литература

1. Каховский Л. Постижение хаоса.Химия и жизнь, 1992, 8

2.Пригожин И.Р.От классического хаосак квантовому.Природа,1993,12

Тема 3.5. Самоорганизация в живой и неживой природе

Самоорганизация означает изменениеструктуры системы под действием только внутренних факторов. Поэтому, в строгомсмысле, этот термин применим только к Вселенной в целом. А все остальные системы- открытые и находятся под воздействием внешней энергии.

Термин самоорганизация употребляетсятакже и тогда, когда изменения системы происходят без видимой цели.

Организация — это структура связеймежду элементами системы. Хотя всякая система обладает определеннойорганизацией, эти понятия не тож дественны. С течением времени система и ееорганизация могут изменять ся под действием внешних или внутренних сил.

Изменение системы и ее организацииможет преследовать определенные цели и иметь внутренние, ей присущиевозможности для следования этим целям. Подобную систему в теории управления исистемном анализе приня то называть организмом. Всякий организм — система, ноне наоборот.

Описание процесса самоорганизацииматерии опирается на два посту лата: 1) материя обладает свойствомсаморазвития (принцип синергизма) и 2) Вселенная возникла 15-20 млрд летназад (принцип начала).

Эволюция Вселенной представляет собойграндиозную панораму воз никновения из хаоса все новых систем разной временнойи пространствен ной протяженности. Эти образования далеки от равновесия,квазистабиль ны и, разрушаясь, снова возвращаются в хаос, давая материал дляновых квазистабильных образований.

Совсем недавно была открытавозможность самоорганизации химических реакций в отсутствие каких-либотемпературных воздействий. Подобные явления коренным образом изменили нашвзгляд на физические науки и их связь с биосферой: материя сталарассматриваться не как инертный объ ект, изменяющийся в результате внешнихвоздействий, но наоборот, как объект, способный к самоорганизации, проявляющийпри этом как бы свою “волю” и многосторонность (А.Баблоянц, 1990)

Сейчас в наших руках достаточнообнадеживающих данных, которые поз воляют предполагать, что возникновениеживого из неживого в далеком прошлом обусловлено действием обычныхфизико-химических законов.

Энтропийная и эволюционная теория XIXвека постулировали две совер шенно противоположные тенденции развития: первая — к максимальному беспорядку, простоте, спокойствию, неизменности, одинаковости идругая — к сложности, случайности и многообразию. Биологическим наукам пришлось постулировать наличие особых “жизненных сил”, не подчиняющихся законамфизики и химии.

Разрыв между биологическими ифизическими науками был преодолен только в середине 60-х годов нашего столетия.

Стала очевидной необходимостьнеравновесных условий для всех жиз ненных процессов. Клетка как единица живогоможет жить только в условиях постоянного притока питательных веществ.Биохимические процессы, как правило, подчиняются нелинейным кинетическимуравнениям. Поведение клетки как системы, имеющей сложнуюпространственно-временную органи зацию, невозможно объяснить в рамкахредукционизма молекулярной биоло гии. Напротив, с помощью такого новогопонятия, как диссипативные структуры, можно дать объяснение способностипроявлять разнообразные сложные свойства, присущие живому.

Идея, предполагающая, что жизньвозникла в результате самоорганизации материи, выглядит как обоснованнаягипотеза, которая должна получить экспериментальное обоснование. Свойствасамоорганизации открытых систем, в которых протекают химические реакции,составляют недостающее звено в процессе молекулярной эволюции, приводящей кпоявлению живых организмов.

Вероятность таких событий взначительной степени подтверждается созданием теоретических моделей. Так,М.Эйген разработал модель, в ко торой в результате взаимодействия белков инуклеиновых кислот возника ет примитивная клетка.

Принципы универсальногоэволюционизма. Возникновениежизни — естественный этап саморазвития Земли. Появление жизни изменило характерэволюции ее географической оболочки.

Возникновение разума — закономерныйрезультат развития жизни на Земле. Наш мозг порождает способность познаватьокружающий мир, видеть себя со стороны, познавать самого себя и задумыватьсянад тайной своего происхождения.

Благодаря появлению разума возникаетобщество как совокупность индивидуумов, способных к совместному труду итворчеству в материальной и духовной сферах.

В основе самоорганизации лежитмеханизм РЫНКА. Термин РЫНОК включает в себя отбор по множеству критериев,который носит иерархический характер.

Одна из важнейших особенностейпроцессов самоорганизации нашего ми ра — существование механизмовкооперативности, т. е. объединения элементов в системы. Эта особенность присущавсем уровням организации материального мира — и неживой материи, и живомувеществу, и процессам, протекающим в общественной сфере. При этом имеется ввиду реализация потенциально возможных связей между элементами и законов нашегомира. Причем потенциально возможных кооперативных структур гораздо больше, чемреально наблюдаемых. Значит, проявление кооперативности — это тоже результатаотбора, т.е. действия механизмов “универсального рынка”. И поскольку критерии отбораразличны и их много, то процесс формирования систем тоже неоднозначен иприводит к многообразию различных форм ор ганизации систем.

Во многих случаях, зная свойстваэлементов, мы можем заранее предсказать свойства системы. Но она может обладатьи специальными “системными свойствами”, которые не выводимы из свойствэлементов.

Следовательно, объединение элементовв системы может приводить к появлению объектов, обладающих новыминепредсказуемыми свойствами, которые в свою очередь могут участвовать в отборе.

В результате объединения (кооперации)могут возникать объекты с не сопоставимыми свойствами, а значит, и неучаствующими в последующих стадиях отбора.

Возникающие системы могут взаимно“дополнять” друг друга, т.е. слу жить кирпичиками для создания новых системныхконструкций.

Таким образом, в процессе эволюции,т. е. действия механизма РЫНКА, возникают иерархически организованныекооперативные структуры, которые однажды снова начинают участвовать в отборе иформировании нового эта жа иерархии.

Вся эта “кооперативная деятельность”происходит на фоне стохастики, расширяющей палитру отбора (или “рыночногоприлавка”). Мутагенез является одним из примеров подобного процесса, но онпроявляется в похожих формах на всех этажах организации мира.

Кооперативность, т. е. объединение всистемы, столь же естественная форма движения, как и движение планет: возникаютвсе более и более сложно организованные структуры. Но нельзя говорить о том,что механизм РЫНКА приводит к более совершенным конструкциям, поскольку в силумножественности критериев они просто несопоставимы (прокариоты и эука риоты,человек и термит). По одним критериям РЫНОК расставляет произведения природы наодной шкале, а по другим критериям шкала выглядит совершенно иначе.

Необходимо более глубоко разобратьсяв том, как функционирует РЫНОК, как возникает “поле возможностей”, из которогопроисходит отбор, и как этот отбор происходит.

Отбор совершается по целому множествукритериев, и многие из них несопоставимы.

При объединении элементов в системы каждыйиз них что-то теряет во имя чего-то другого. Иными словами, всякоекооперативное образование является следствием некоторого компромисса.

У всякого сообщества живых существесть одна ему присущая особенность — степень подчинения индивидуума общим правиламповедения сообщества (стада). Другими словами, поведению каждого живогосущества присущи две тенденции (два интереса или две цели).

Одна из них — сохранение гомеостазаотдельного организма, другая — сообщества (или популяции). И эти два критерияне являются автоматически совместимыми, ибо цели по существу разные. Значит,для их совмещения необходим компромисс: каждому виду свойственно разрешениеэтого компромисса, он жертвует степенью одного ради другого. И эти компро миссымогут быть самыми разными, т. е. мы видим самые разные сочетания “личного” и“общественного”. Два примера.

Многие из головоногих моллюсков — каннибалы, и все “общественное” им абсолютно чуждо. Природа сохранила только тевиды, у которых самцы немедленно погибают сразу после того, как совершат своибрачные обязанности. Конфликт между личным и общественным решен однозначно рази навсегда в пользу личного.

Термиты: все личное оказалосьполностью подчинено коллективным интересам. Отдельный термит даже не можетрассматриваться в качестве от дельного организма: у них даже пищеварение общее,а стремление к сох ранению индивидуального гомеостаза, вероятно, практическиотсутствует. Организмом является лишь термитник в целом.

РЫНОК с его сложнейшей иерархическойсистемой отбора допускает са мые немыслимые сочетания разных уровней реализациитех или иных тенденций.

С аналогичной ситуацией мысталкиваемся в человеческом обществе. Одна из важнейших характеристикцивилизаций — место личности в структуре общества.

На одном фланге (следуя М. Веберу) — цивилизации “протестантской этики” с ее крайним индивидуализмом. Здесь особовыделяются кальвинисты с их преклонением перед личным успехом, с верой в то,что именно он говорит об избранности. А рядом — русская цивилизация с еесоборностью и коллективизмом и тем особым духовным настроем, о котором писалН.Я.Данилевский еще в 60-е годы прошлого века, а в начале 20-х годов нынешнегоотметил А.Д.Тойнби. По мнению Н.Н.Моисеева, эти два человека особенно отчетливоувидели в России цивилизацию, глубоко отличную от той, которая возникла ународов Европейского полуострова.

А еще дальше по этой шкалерасположена цивилизация Японии с ее принципом “забивания гвоздей”. Человекапринимают на работу в фирму не потому, насколько он талантлив, а потому,насколько он способен при нять философию фирмы и не “высовываться”.

Очень важно понять, каким образоммогло возникнуть такое многообразие цивилизаций, — объяснить его простымизаконами конкуренции вряд ли возможно.

Когда экономисты используют слово“рынок”, они имеют в виду механизм конкуренции (главным образом). Я. Н.Моисеев, говоря о РЫНКЕ, имеет в виду механизмы, преодолевающие “противоречия”.Конкуренция, связан ная с понятием “антагонизм”, — лишь частный видпротиворечия и в рафинированном виде почти не встречается ни обществе, ни вприроде — даже хищник и жертва, строго говоря, не являются антагонистами.

Противоречия означают тот общийслучай взаимодействия, когда у каж дого из некоторого множествавзаимодействующих элементов существует много различных и несовпадающих целей.Их “интересы” не антагонистичны, но и не тождественны. Для их разрешения, т. е.обеспечения возможности взаимного существования, необходимы некоторыекомпромиссы, реализация которых и создает новую кооперативную конструкцию.

Систематическим анализом такойситуации впервые начал заниматься в самом начале XX века итальянский экономистВ.Парето. С его именем связано возникновение математической теории конфликтов,или игр с непро тивоположными интересами, впоследствии блестяще развитой ныне покойнымпрофессором МГУ Ю.Б.Гермейером. В рамках этой теории возникло очень важноепонятие “парето-оптимальность”.

Если по одним параметрам одна системалучше другой, а по другим — хуже, то РЫНОК отказывается делать свой выбор, иобе системы получают право на существование. Множество состояний (илиорганизмов), в котором улучшение одной из

характеристик неизбежносопровождается ухудшением хотя бы одной из других, и принято называтьпарето-оптимальным множеством (или парето-оптимальными компромиссами).

Таким образом, механизмы отбора вреальной жизни отбирают не от дельные организмы, структуры, формы, а целоемножество парето-оптимальных структур. С этой точки зрения и термит, и человек,и любой другой процветающий вид реализовал свой парето-оптимальный компромисс,который может быть разрушен при изменении внешних условий, т. е. системыкритериев

В человеческом обществе описанныйпроцесс отбора усложняется тем, что в него включается Разум с присущей емунеоднозначной интерпретацией того, что человек наблюдает. Многие исследователипытаются понять, какими мотивами пользуется человек, совершая тот или другойдополни тельный выбор или принимая решение в конфликтной ситуации.

О проблеме “устойчивостикомпромисса’’. Предположим, что несколько субъектов условились о содержаниинекоторого компромисса, т. е. приняли на себя определенные обязательства. Еслисубъекты достаточно разумны, то они сами выберут некий парето-оптимальныйкомпромисс, поскольку в противном случае существует некоторый компромисс,который одновременно более выгоден всем субъектам (в природе роль Разума играетРЫНОК — он производит разумный отбор). Но такой выбор еще не означает, что кому-либо из субъектов не придет в голову нарушить договоренности и по лучить длясебя лично некое преимущество.

Значит, среди парето-оптимальныхкомпромиссов имеют шанс реализоваться лишь такие, отступления от которыхневыгодны никому из участников компромисса (или кооперации). Такие компромиссыназываются устойчивыми.

Итак, в процессе эволюции(самоорганизации, развития) разрешаются разнообразные противоречия иликонфликты. В результате возникают кооперативные взаимодействия; иными словами,утверждается некая система компромиссов, которая и есть основа кооперативнойорганизации, т. е. объединения элементов в системы. И на этой возникающейсовокупности систем снова начинает действовать отбор.

В результате отбора возникаютсистемы, несравнимые по своим свойствам (по терминологии теории исследованияопераций — парето-оптимальные). Часто они обладают взаимодополняющими свойствами,что является основой для новой кооперации и т.д. Вот такой представляется схемаинтерпретации эволюции материального мира, которую Н. Моисеев и называет

универсальным эволюционизмом.

(Пример: прокариоты, эукариоты ибиосфера, как результат кооперативного взаимодействия множества агентов).

Возникновение новых форм организациивещества — одна из самых сокровенных тайн мироздания. И один из решающих шаговв ее постижении сделал Ч. Дарвин. И как ни важен этот шаг, он лишь один изэпизодов познания грандиозного единого процесса эволюции Универсума.

В процессах развития важнейшую рольиграет бифуркация. Открытием этого явления мы обязаны прежде всего Л. Эйлеру иА. Пуанкаре (и ряду других математиков и физиков, изучавших критическиесостояния систем, изменяющихся во времени). Явление бифуркации приводит нетолько к по явлению новых форм организации вещества, но, и это может быть ещеваж нее, — к непредсказуемости эволюции.

При переходе через критическоесостояние (катастрофу) система практически теряет “память”, и в становлении еенового состояния резко возрастает роль тех случайных воздействий, тойстохастики, которая органически присуща природе. Появление качественно новойформы организации всегда есть результат бифуркации. (Поэтому правы и Дарвин иКювье — каждый по-своему!)

Верхняя оболочка Земли пережила поменьшей мере три грандиозные перестройки (бифуркации): появление живоговещества (биосферы), переход от прокариотов к эукариотам и становление Разума.

Основная задача фундаментальной науки- раскрыть процесс формирования новых организационных структур и описать тепринципы отбора, которые сохраняют лишь отдельные формы кооперации.

Всю грандиозную систему созданиямногообразия различных форм и от бора тех структур, которые продолжали эволюционировать,Н. Моисеев и называет РЫНКОМ (основным, а может быть, и единственным механизмомсамоорганизации).

Мутагенез, неточность редупликации,кооперативность — все это составляющие единого процесса действия РЫНКА.

Моисеев отмечает: тот язык, который онпытается ввести с помощью эмпирических обобщений, является естественнымразвитием языка эволюционной теории Дарвина.

Необходимым условием конкуренциислужат “пределы роста” — концепция Римского клуба, берущая начало от Мальтуса,но совершенно очевидно следующая из конечности земного пространства.Математический анализ показывает, что конкуренция в условиях Рынка

и при достаточном времени неизбежноприводит к монополизму (выживание наиболее приспособленных).

Реально же выживает множествоорганизмов, в том числе и, казалось бы, несовершенных. Это обстоятельство(выживание всех, кроме явно не приспособленных) и следует рассматривать какважное эмпирическое обобщение. Работает какое-то “антимонопольноезаконодательство”, механизм протекции для меньшинств. Те конечные состояния, ккоторым движутся изменяющиеся объекты природы, физик К. фон Вейцзеккер назвалглавной загадкой эволюции. Загадка заключается в способе возникновения тойсуммы характеристик, которя определяет конечное состояние, необходимое для сбалансированностисистемы.

Редукционизм привел к неполному, еслине искаженному, пониманию мира. Ощущается необходимость понять, каким образомвозникает система, организация, организм, а не только какова природа элементовсистемы; како во соотношение между эволюцией элемента системы (в свою очередьявляющегося системой) и эволюцией системы в целом.

Термодинамический подход не касаетсямеханизмов эволюции, будучи ориентирован на конечные состояния системы.

Следует обратить внимание на сходствопонятий система, организм, организация, поскольку все они подразумеваютприсутствие элементов множества, целесообразно взаимодействующих между собой.Под целью здесь понимается устойчивость системы, предполагающая и устойчивостьвходящих в нее элементов, хотя каждый из этих элементов может быть заменен инымс аналогичными системными функциями. Всю это концепцию Н. Н. Моисеев называетРынком с большой буквы.

Информационные аспектысинергетики

Задачей науки является выяснениеместа информации в общем процессе развития Природы Общества. Н.Н.Моисеев несогласен с мнением тех ученых, которые считают информацию всеобщим свойствомматериального мира. Строгого и достаточно универсального определения информациинет и оно вряд ли возможно.

Необходимость в этом понятиивозникает лишь тогда, когда мы описываем свойства живого. Если описыватьразвитие материального мира, опираясь на принцип “лезвия Оккама”, то информацияпоявится в нем лишь тогда, когда мы начнем изучать системы с целеполаганием, тоесть объекты, способные к целенаправленным действиям. В этом случае нельзяописать процедуры принятия решений и изучать зависимость характера принимаемыхрешений от изменения внешних условий без термина “информация”.

(Уильям Оккам, 1285-1349, англ.философ-схоласт, логик и церковно-полит. писатель, францисканец, авторпринципа, согласно которому понятия, несводимые к интуитивному и опытномузнанию, должны удаляться из науки — “бритва Оккама”: сущности не следуетумножать без необходимости).

Все процессы, протекающие в неживойприроде, подчиняются законам физики и химии и могут быть объяснены и поняты безпривлечения термина “информация”, а также и без понятия обратной связи.

В обычном, то есть житейском смыслеслово “информация” означает сумму сведений, которую получает субъект (человекили животное) об окружающем мире или о самом себе, с помощью которых он можетпрогнозировать результаты своих действий и отбирать способы использования своихвозможностей для обеспечения собственных интересов и для достиженияпоставленных целей.

В этой трактовке информациицентральной фигурой оказывается субъект, который использует полученные сведенияв своих интересах. Понятие субъект может быть распространено и нанадорганизменные системы, обладающие целеполаганием.

Информация сама по себе ничего нестоит и не означает ничего. Ценности информации как ее абсолютнойхарактеристики не существует. Качество информации оценивается прежде всего тем,насколько знания, полученные о предмете или окружающей обстановке, помогают впринятии решений. Только тогда, когда существует цель, раскрывается значение,ценность и смысл информации.

Понятие ценности информацииобусловлена активностью сознания. Информация и ее оценка возникают и могут бытьпонятыми лишь в контексте отношений субъект — объект.

Понятие “память” также естественнымобразом связывается с представлением о субъекте, совершающем выбор. Живыесущества всегда обладают хотя бы зачатком целеполагания — стремлением ксохранению собственного гомеостазиса. В этом случае применимо представление опамяти как о механизме хранения, накопления и извлечения информации в интересахорганизма. Таким образом, в мире живой материи память выступает в качественекоторого элемента информационной службы организма.

По мере развития живой природы иобщества, роста разнообразия и сложности их организационных форм изменяетсяместо и значение информации, ее влияние на скорость и другие характеристикипроцесса самоорганизации.

Необходимость использованияинформации, ее накопления и хранения, то есть памяти, возникает лишь наопределенном этапе саморазвития материального мира. В ходе развития появлялиськачественно новые формы памяти, способные воспринимать, хранить и передаватьновые типы информации. Вместе с развитием памяти изменялись и способыиспользования информации. Ее значение и влияние на характер развития возрастаютпо мере усложнения организации. Дальнейшее развитие материи, жизни и общества,требуют все больших объемов информации.

В ходе процесса самоорганизациивозникают разные типы памяти: генетическая, подражание (“Делай, как я!),обучение (система “Учитель”). Вероятно, существуют формы памяти, намнеизвестные.

В первом случае речь идет овоспроизведении и наследовании материальных структур — макромолекул, которыеподчиняются жестким правилам и могут быть объяснены без использования понятияинформации. Ведь здесь еще нет субъекта — носителя определенных целей, и наэтом уровне еще нет обратных связей, обеспечивающих гомеостазис.

Механизм генетической памяти,конечно, способствует совместно с мутациями и отбором совершенствованию популяций,их приспособлению к меняющимся условиям среды, но он не дает организму никакойсвободы выбора. На этом уровне еще нельзя говорить о качестве передаваемойинформации, ибо здесь еще не существует той естественной целевой функции,значение которой изменялось бы в зависимости от характера передаваемойинформации.Говорить о качестве информации на этом уровне бессмысленно (какговорить о качестве законов Ньютона).

На организменном уровне появляется“субъективность”. Восприятия и реакции уже не являются однозначно определенными- они зависят и от качества рецепторов, и от способа распознавания сигналов, имногих других факторов, связанных с информационной службой организма.

Еще более сложным является механизмхранения и передачи информации в системе “Учитель”. Ценность информации,хранимой и передаваемой учителем, проявилась в рождении еще одного механизмаотбора — морали и нравственности. Сама возможность передачи и использованияинформации с помощью системы “Учитель” диктовала и определенные нормы поведения.

На процесс формирования морали инравственности ушло много времени, и нормы поведения не были однозначными инеизменными; они изменялись соответственно изменению условий. Однако ихвозникновение и изменение порождались не целесообразностью, а информацией.

В самом деле, если ценностьинформации определяется качеством поведения, вырабатываемого на ее основе, тоэто означает, что в игру вступает интеллект. Он сопоставляет, анализирует,делает выводы, принимает решения. Выводы и решения могут быть и ложными(например, суеверия). Таким образом, целесообразность связана с моралью инормами поведения весьма опосредованно.

Здесь мы сталкиваемся еще с однимпротиворечием, еще с одной нетривиальной особенностью процесса самоорганизации.Бездумные действия безусловного или условного рефлексов, как правило, всегдацелесообразны. А вот поступки весьма интеллектуального человека вполне могутбыть и ошибочными. Они могут быть ложными, наносящими ущерб и самому организму,и его окружению. Другими словами, интеллект сам по себе еще не являетсягарантом целесообразности.

Возможное объяснение этого феноменазаключается в следующем. Наблюдая рефлексы животных, мы обычно имеем дело сконечным результатом их формирования. Ошибочные варианты поведения к этомувремени исключаются, мы их не наблюдаем (за исключением экспериментальныхусловий). Что касается интеллекта, то он дает людям возможность не толькопредвидеть результаты, но и осознавать противоречивость целей, ихмногокритериальность. Ситуация типа “буриданов осел” — это типично человеческаяситуация. Животный мир не знает подобных коллизий.

Объясняется это тем, что человекживет в условиях значительно большей неопределенности, нежели животные, которыхне гложут сомнения. Этот уровень неопределенности и является источником нетолько нетривиальных решений, но и возможных ошибок, когда человек, не желаятого, действует тем не менее во вред самому себе.

Обретя Разум, Человек приобрел вместес ним не только новые возможности, но и новые трудности — трудности выбора. Содной стороны, вместе с интеллектом он получил удивительную способностьпредвидеть результаты собственных действий и поступков, возможность создавать ииспользовать в своих целях огромные массивы информации. С другой стороны, этаинформация раскрывает перед Человеком сложную противоречивость окружающегомира, понимание которой и приводит его в плен неопределенности.

Наука возникла в одном из последнихактов процесса развития разумной жизни, ее самоорганизации. Она представляетсобой одно из наиболее ярких проявлений информационной сущности современногообщества, в котором знания, то есть упорядоченная информация, начинает игратьопределяющую роль.

Возникшая из чисто практических нужд,наука сегодня поднялась до высочайшего уровня абстракции, и поэтому ее связи сконкретными потребностями общества становятся все более опосредованны.

Человечество, создавая научныезнания, очень часто заранее ничего не может сказать об их полезности,предсказать дальнейшее развитие науки, объяснить причины, побудившие ученогозаниматься теми или иными проблемами. Мы плохо представляем законы, которыеуправляют развитием науки. В результате знания обретают самостоятельную жизнь.Возникает самостоятельная ценность знаний, а каждая научная дисциплина обретаетсобственную логику развития. То есть каждая наука начинает жить собственнойжизнью.

Знания накапливаются впрок. Ониоттачивают интуицию, содействуют проявлению феномена открытия, порождаютспонтанные скачки в нашем понимании окружающего мира. Открытия — это проявлениекрайней нелинейности процесса самоорганизации информационной базы цивилизации.

Среди различных кризисных явленийособое место занимает информационный кризис.

При недостатке информации процедурампринятия решений свойствен высокий уровень неопределенности. В этом случае наформирование решений оказывают большое влияние субъективные факторы. Однакоизбыточность информации также порождает трудности и в простых случаяхоказывается просто бесполезной.

Наши знания, как и наша деятельность,непрерывно усложняются. Их объем и количество связей, которые приходитсяучитывать в практической деятельности, растут быстрее, чем экспонента. Еслитехника работы с информацией остается старой, то новые знания с какого-томомента перестают быть нужными.

Для того, чтобы сделать что-либоновое, приходится хорошо изучать старое, чтобы избежать повторов. При старойтехнике работы с информацией исследователь не располагает возможностью заобозримый срок изучить тот передний край научных знаний, за которым начинаетсяпуть в неведомое. Сегодня мы наблюдаем, что количество работ, повторяющихизвестные результаты, стремительно растет. Эффективность затрат на новыенаучные разработки начинает постепенно снижаться.

Другой пример — быстрый ростсложности управления деятельностью, которое требует изучения и учета всехсвязей. В управленческую сферу вовлекается все большее число людей, чтопорождает целый ряд новых трудностей: растет число согласований, ошибок и пр.,в результате падает эффективность управления — растет мера хаоса.

Есть и еще одна сфера работы с информацией.Нам все чаще приходится иметь дело с объектами, с которыми экспериментироватьневозможно в принципе. Единственную информацию о поведении подобных объектовмогут дать лишь исследования их математических моделей, которые при старыхметодах работы требуют необозримых затрат времени.

Эта трудность в значительной степенипреодолевается в связи с изобретением компьютеров. Это изобретение столь жеэпохальное событие, как и овладение огнем на заре истории. ЭВМ тоже сужденоизменить весь облик нашей цивилизации. Среди тех проблем, которые ЭВМ помогутразрешить людям, отметим главную проблему современности — конфликт междуЧеловеком и Природой.

Для того, чтобы сформироватьстратегию взаимоотношений между Человеком и Природой — стратегию Разума,недостаточно традиционных методов, основанных на исследовании локальныхэкологических ситуаций. Нам необходимо научиться изучать биосферу как единоецелое, исследовать свойства этой сверхсистемы, законы ее развития, ее реакциина антропогенные нагрузки, то есть необходимо научиться оценивать влияниечеловеческой деятельности на изменение параметров биосферы и тенденций ееизменения как единой системы.

Биосфера — это уникальный объект,существующий в единственном экземпляре, объект, который находится в вечномдвижении. В этих условиях обычный, не машинный эксперимент становитсяненадежным средством исследования. Но, самое важное, эксперименты с биосферойкрайне опасны, ибо в силу какой-либо случайности могут поставить человечествона грань катастрофы. Поэтому экспериментирование с биосферой абсолютнонедопустимо.

Располагая лишь теми методами работыс информацией, которые принято использовать в традиционном естествознании иистории, мы не сможем правильно оценить характер эволюции биосферы в условияхрастущего влияния на нее цивилизации. Проблемы изучения биосферы и условийгармоничного развития биосферы и общества оказываются гораздо сложнее всех техпроблем, с которыми мы сталкивались до сих пор.

Объединение способностейчеловеческого интеллекта со способностями вычислительной машины — решающеедостижение в разработке той инструментальной основы, которая необходима длятеории развития ноосферы и решения возникающих при этом практических задач.Инструментарий, который возникает в результате симбиоза логики и интуиции, методов,возникших в точных и гуманитарных дисциплинах, можно будет назвать“коллективным” интеллектом. Создание подобного инструмента будет качественноновым шагом в развитии средств познания окружающего мира и цивилизации.

Литература

1. Горькавый Н.Н.,Фридман А.М. Самоорганизация в кольцах планет/ Природа, 1991, 1

2. Заварзин Г.А.Анти-Рынок в природе/ Природа, 1995, 3, с. 46-60

3. Конкуренция вприроде и обществе. Природа, 1993, 11, с. 3-19

4. Моисеев Н.Н.Универсальный эволюционизм. Вопросы философии, 1991, N 3

5. Моисеев Н.Н.Рынок и анти-рынок в природе и обществе/ Природа, 1996,5.

Заключение

Естествознание и христианство: новыевозможности диалога.

Вопрос о взаимоотношенииестествознания и христианства заслуживает серьезного внимания в связи с возрастающейролью последнего в жизни общества.

Сложившееся в прошлые годыпротивостояние науки и религии сменяется терпимостью и даже вниманием кпроблемам друг друга. Возможен ли продуктивный для культуры союз между ними?

Науку и религию часто рассматриваюткак противоположности, считают, что наука не совместима с религией. Между темони не противостоят, а дополняют друг друга. Наука — это царство логики,религия — внелогического знания. К внелогическому знанию относится и поэзия,музыка, изобразительное искусство, многое без чего наша жизнь стала бы серой искучной. Поэтому проповедовавшееся многие годы “научное мировоззрение” на самомделе было неполноценным и однобоким. Академик Б.В.Раушенбах (Природа, 1995, N1, стр. 9-10).

Еще в начале XX века в России готовбыл начаться диалог между научной и церковной интеллигенцией. В 1909 году вМоскве вышел сборник “Вехи”, где явно выражена мысль о непротиворечивости наукии религиозного сознания.

Вместе с тем Патриарх Московский ивсея Руси Алексий II говорит: “… христианство никогда не согласится сосциентизмом — этой попыткой сделать науку верховным законодателем и судьей вовсех сферах бытия человека, в первую очередь в духовной области.… Сейчасувлечение сциентизмом проходит, но не бесследно. Мне же думается, что осознаниетупика, в который способен привести этот взгляд, поможет светской науке иЦеркви вести диалог, поможет сотрудничать в подлинном смысле этого слова, тоесть со взаимным уважением, с пониманием особой роли и предназначения другдруга.” (Природа, 1, 1995, стр. 4).

Ныне обе стороны, вероятно, пришли квыводу о том, что доказать существование Бога или его отсутствие невозможно.Проблема эта — область веры.

Вера — центральная позиция ипсихологическая установка, любой религии, включающая а) принятие определенныхдогматов и б) решимость придерживаться этих догматов вопреки сомнениям, которыеоцениваются как искушения.

Догматы веры предлагаются разуму какаксиомы, не подлежащие ни доказательству, ни критике. В этом всякое вероучениепротивоположно науке и научному методу.

Однако некоторые церковныепроповедники изменяют этим принципам веры и пытаются использовать научныедоказательства для обращения читателей в свою веру.

Алексий II: “… я не разделяю нимнения о противоречивости религии и науки, ни попытки унифицировать их в некойнеясной общности. И наука, и Церковь служат ближнему, служат народу. Мы можемсотрудничать ради создания общества, живущего во внутреннем согласии и вгармонии с окружающей природой, основанного на приоритете нравственности вовсех поступках, словах и мыслях.” (Природа, 1, 1995, стр. 8).

Л.Н.Толстой: “… я смотрю нахристианство, как на учение, дающее смысл жизни.… пятидесяти лет от роду,спросив себя и всех мудрецов моей среды о том, что такое я и в чем смысл моейжизни, и получив ответ: ты случайное сцепление частиц, смысла в жизни нет, исама жизнь есть зло… я пришел в отчаяние и хотел убить себя.

… я не знал света, думал, что нетистины в жизни, но убедившись в том, что люди живы только этим светом, я сталискать источник его и нашел его в Евангелиях.

… И, дойдя до этого источника света,я был ослеплен им и получил полные ответы на вопросы о смысле моей жизни ижизни других людей...”

К сожалению, принятие христианствакак системы моральных ценностей, ведет к распространению креационизма(антинаучных представлений о мире и человеке, их происхождении, изложенных вКниге Бытия).

Является ли это неизбежным следствиемпринятия христианства именно как этической системы? Вероятно, нет.

Дело в том, что учение Иисуса Христа(Новый Завет) не касается основ мироздания, не затрагивает вопросов, связанныхс происхождением мира и человека.

Акад. Раушенбах отмечает, что “ Ни вСвященном Писании, ни в других авторитетных источниках, которые лежат в основехристианской религии, ничего не говорится о схеме мироздания”.

Принимая Новый завет, обязательно липринимать все, что содержится в Ветхом завете как истину в последней инстанции?

Сам Иисус Христос показываеткритическое отношение к некоторым положениям Ветхого Завета:

“Вы слышали, что сказано древним: “неубивай; кто же убьет, подлежит суду”. А Я говорю вам, что всякий, гневающийсяна брата своего напрасно, подлежит суду...”

“Вы слышали, что сказано: “око заоко, и зуб за зуб”. А Я говорю вам: не противься злому”.

“Вы слышали, что сказано: “любиближнего твоего и ненавидь врага твоего”. А Я говорю вам: любите враговваших...”

Следовательно, ученый или простообразованный человек, являющийся материалистом, может принять христианство какморально-этическое учение, не принимая на веру картину творения мира ичеловека, описанные в книге Бытия.

Практика показывает, что многиеученые в прошлом были верующими христианами. Достаточно и сейчас среди нихверующих. И тем не менее, вклад этих ученых в развитие научной картины мира отэтого не становится менее значительным. Связано это с тем, что исследуя явленияприроды, ученый пользуется научным методом, который позволяет ему получатьобъективные знания о природе.

Раушенбах: Вера, религиозное чувствони в коем случае не теория, они не ставят себе задачей истолковывать явления,объясняемые естественными науками, их задача — проповедь любви, этических норми аналогичных ценностей. Поэтому искренняя религиозность многих выдающихсяученых ничуть не мешала им делать эпохальные научные открытия.

Оппозиция “наука-религия” в огромномбольшинстве случаев просто не имеет смысла.

И сегодня ученые должны заниматьсясвоим делом — изучать строение и эволюцию Вселенной, а Церковь — пользоватьсядостижениями науки в тех случаях, когда ей это надо, но не вмешиваться внаучную сторону вопроса по существу.

Эпикур: “Боги исчезнут, когда в нихперестанут нуждаться люди. А нуждаться в богах люди перестанут тогда, когдаразумом своим сравняются с богами. Люди сами должны стать богами. А мы всеголишь рабы, рабы невежества, рабы страстей, рабы денег и тиранов. Рабы страха”.(А.Домбровский. Сад Эпикура. М., 1983, стр. 186).

Литература

1. Алексий II,Патриарх Московский и всея Руси. И наука, и церковь служат ближнему, служатнароду. Природа, 1995, 1

2. Бульдяев Г.А.Проблемы гуманизации в космонавтике/ Природа. 1992, 3

3. Гиляров А.М.Мифологическое в экологии/ Природа. 1992. 2

4. Гурштейн А.А.Заметки об опыте науки XX века/ Природа, 1992, 5

5. Карлов Н.В.Ведать — весть — совесть (о гуманизации технических умов)/ Природа, 1991, 6

6. Карпинская Р.С.Коэволюция: развитие темы/ Природа, 1992, 11

7. Корогодин В.И.,Кутлахмедов Ю.А., Файси Ч. Информация, эволюция и тех ногенез/ Природа, 1991, 3

8. Крымский С.Б.Культурные архетипы, или знание до познания/ Природа, 1991, 11

9. Мей Ван Хо.Естественное бытие и гармоническое общество. Природа, 1993, 3

10.Мина М.В. Биосфера и техносфера:сходство и различие путей эволюции/ Природа, 1992, 9

11.Может ли наука познать мир?/ Природа,1991, 2

12.Моисеев Н.Н., Поспелов И.Г.Направленность эволюции и разум/ Природа, 1990, 6

13.Раушенбах Б.В. Миф об антагонизменаучного и религиозного мировоззре ния/ Природа, 1995, 1

14.Скворцов А.К. Механизмы органическойэволюции и прогресса познания/ Природа, 1992, 7

15.Черносвитов П.Ю. Избыточность какглавный фактор эволюции/ Природа, 1992, 4

16.Швырев В.С. Научная рациональность:проблемы критического осмысления/ Природа, 1992, 4

еще рефераты

Еще работы по биологии

Реферат по биологии

Концепции современного естествознания

30 Августа 2013

Реферат по биологии

Ионные механизмы потенциала покоя

9 Июня 2015

Реферат по биологии

Ионный канал. Проводимость и проницаемость

9 Июня 2015

Реферат по биологии

Ионообменная хроматография

26 Июня 2015